Was ist ein Grubenbewetterungsventilator? Grundbegriffe der Grubenbewetterung

Was ist ein Grubenbewetterungsventilator?

Ein Bewetterungsventilator, auch als Grubenbewetterungsventilator bezeichnet, ist ein großer Industrieventilator, der Frischluft im Untertagebau oder in Tunneln fördert. Seine Hauptaufgabe ist es, ausreichend saubere Luft bereitzustellen, Staub und schädliche Gase zu verdünnen und abzuführen, Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu steuern und eine sichere Arbeitsumgebung für die Bergleute zu gewährleisten.

Ohne fachgerecht ausgelegte und geregelte Bewetterungsventilatoren können sich in Untertagebetrieben schnell Methan, Dieselabgase, Sprenggase und lungengängiger Staub anreichern – mit erheblichen Risiken wie Explosionen, Vergiftungen und langfristigen Lungenerkrankungen.

Warum Bewetterungsventilatoren im Bergbau unverzichtbar sind

Moderne Untertagebergwerke stützen sich auf ein vollständiges Bewetterungssystem, das Folgendes umfasst:

• Frischwetter- und Rückwetterstrecken

• Schächte und Strecken

• Wetterdämme, Wettertüren, Wetterregler und Lutten

• Sowie einen oder mehrere große Hauptbewetterungsventilatoren, die den Wetterstrom antreiben

        Abbildung: Vereinfachtes Untertage-Bewetterungssystem mit Frischwetterschacht, Hauptbewetterungsventilator an der Oberfläche, Ortslüftern an den Vortrieben und Rückwetterstrom über den Rückwetterschacht.

Bewetterungsventilatoren sind der „Motor“ dieses Systems. Sie:

• fördern oder saugen Frischluft von der Oberfläche in den Untertagebau

• verdünnen Methan, CO, NOx, SO₂ und andere Gase auf sichere Konzentrationen

• steuern die Staubkonzentration am Abbauort und an Verladestellen

• führen Wärme und Feuchtigkeit ab, die durch Gebirge, Maschinen und tiefen Abbau entstehen

• halten die Luftgeschwindigkeit aufrecht, damit sich Schadstoffe nicht in Totbereichen ansammeln

Ein gut ausgelegtes Ventilatorsystem ist daher einer der wichtigsten Bausteine im Sicherheitsmanagement im Bergbau.

Haupttypen von Bewetterungsventilatoren

In der Bewetterungstechnik werden Ventilatoren meist nach Aufgabe und Einbauort statt nach Marke gruppiert.

1. Hauptbewetterungsventilatoren

Abbildung: Hauptbewetterungsstation an der Oberfläche, die den Luftstrom für den Untertagebau bereitstellt.   

Hauptbewetterungsventilatoren sind große, leistungsstarke Ventilatoren, die an der Oberfläche installiert werden – in der Regel in der Nähe des Hauptschachts oder des Stollens. Sie erzeugen den größten Teil von Druck und Luftstrom für den gesamten Bewetterungskreislauf.

Typische Merkmale:

• Installation an der Oberfläche in einem Ventilatorhaus oder einer Betonstruktur

• häufig in Betriebs- und Reserveausführung (Duty/Standby) für hohe Verfügbarkeit

• mit Schalldämpfern, Diffusoren und Einlaufkonen zur Effizienzsteigerung

• Antrieb durch Hochleistungsmotoren, oft mit Drehzahlregelung über Frequenzumrichter (FU)

2. Boosterlüfter (Zwischenlüfter)

Abbildung: Untertage-Boosterlüfter (Zwischenlüfter), installiert in einer Strecke, um den Druck zu erhöhen und Luft in entfernte Abbaubereiche zu drücken.

Boosterlüfter (Zwischenlüfter) sind große Ventilatoren, die unter Tage in Reihe mit dem Hauptbewetterungsventilator installiert werden. Sie kommen in tiefen oder strömungswiderstandsreichen Gruben zum Einsatz, um den Druck in einem Teil des Bewetterungsnetzes zu erhöhen und Luft in entfernte Reviere zu fördern.

Da Boosterlüfter die Druckverteilung verändern, müssen Auslegung und Regelung strengen Sicherheitsvorgaben folgen, um unerwartete Strömungsumkehrungen oder gefährliche Gasansammlungen zu vermeiden.

3. Hilfsventilatoren und Ortslüfter

Abbildung: Hilfsventilator mit flexibler Lutte, der Frischluft direkt in den Vortrieb liefert.

Hilfsventilatoren und Ortslüfter sind kleinere Ventilatoren, die Vortriebe, Abbaubereiche und Blindstrecken bewettern, die nicht direkt im Hauptwetterstrom liegen.

Sie:

• stehen nahe dem Eingang eines Vortriebs oder in einer Nebenstrecke

• werden an Lutten (starr oder flexibel) angeschlossen

• liefern Frischluft direkt an die Ortsbrust und verdünnen Staub sowie Spreng- und Dieselabgase beim Bohren, Sprengen und Laden

Im Kohlebergbau sieht man außerdem explosionsgeschützte Ortslüfter in Kombination mit Langstrecken-Lutten zur Bewetterung am Abbauort.

Axial- vs. Radialventilatoren im Bergbau

Aus strömungstechnischer Sicht gehören die meisten Bewetterungsventilatoren zu zwei Bauarten.

Axialventilatoren

• Luft tritt ein und aus parallel zur Ventilatorwelle

• hoher Volumenstrom bei relativ niedrigem bis mittlerem Druck

• kompakte Bauweise, meist mit zylindrischem Gehäuse und verstellbaren Schaufeln

• sehr verbreitet als Haupt-, Booster- und Hilfsventilatoren in Metall- und Kohlebergwerken

Axialventilatoren eignen sich gut für:

• lange Strecken mit moderatem Strömungswiderstand

• Anwendungen, bei denen Effizienz und Verstell-/Pitch-Regelung wichtig sind

• reversierbare Bewetterung (bei bestimmten Ausführungen), z. B. für Notfall-Rauchabführung

Radial- (Zentrifugal-)Ventilatoren

• Luft tritt nahe der Laufradmitte ein und verlässt es radial – mit einer 90°-Umlenkung im Gehäuse

• geringerer Volumenstrom, aber höherer Druck als Axialventilatoren

• häufig eingesetzt bei sehr hohem Strömungswiderstand oder wenn besonders robuste Bauweise erforderlich ist

Radialventilatoren können eine gute Wahl sein für:

• tiefe Gruben mit hohem statischem Druck

• Schächte und Stollen mit großen Druckverlusten

• Anwendungen, die robuste Ausrüstung und schwere Gehäuse erfordern

In der Praxis hängt die Wahl zwischen axialen und radialen Bewetterungsventilatoren ab von:

• erforderlichem Volumenstrom (m³/s oder CFM)

• Gesamtdruck (Pa oder kPa)

• Anlagenkennlinie (inklusive Atkinson-Widerstand)

• Geräuschgrenzen, Effizienzzielen und verfügbarem Einbauraum

Wichtige technische Kenngrößen eines Bewetterungsventilators

Wenn Ingenieure einen Bewetterungsventilator auslegen oder auswählen, konzentrieren sie sich auf mehrere Kernparameter:

• Volumenstrom (Q)
  Luftmenge, meist in m³/s oder m³/h (in einigen Ländern auch CFM).

• Gesamtdruck / statischer Druck (Pt, Ps)
  Druckerhöhung, die der Ventilator erzeugt, um Widerstände von Schächten, Strecken, Lutten sowie Leckagen über Wetterdämme zu überwinden. Oft in Pa oder kPa angegeben.

• Wirkungsgrad (η)
  Verhältnis von Luftleistung zu Wellenleistung. Höherer Wirkungsgrad senkt die Energiekosten über die Lebensdauer der Grube.

Abbildung: Kennfeld eines axialen Bewetterungsventilators mit statischem Druck über Volumenstrom, Wirkungsgradkonturen und Schaufelwinkel-Linien.

• Ventilatorkennlinie
  Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Druck bei einer gegebenen Drehzahl. Der Schnittpunkt mit der Anlagenkennlinie ergibt den Betriebspunkt.

• Leistung & Drehzahl
  Motorleistung (kW oder HP) und Ventilatordrehzahl (rpm) müssen zur Bewetterungsaufgabe, zu Energiekosten und zur Anlaufart passen (Direktanlauf, Sanftstarter, Frequenzumrichter).

• Geräusch und Schwingungen
  Wichtig für Arbeitskomfort und strukturelle Sicherheit; häufig reduziert durch Schalldämpfer, flexible Verbindungen und Schwingungsisolierung.

Sicherheit und Explosionsschutz

Da Bewetterungsventilatoren die Untertageatmosphäre direkt beeinflussen, unterliegen sie strengen Sicherheitsstandards und Richtlinien.

Wichtige Aspekte sind:

• Explosionsschutz
  In gasführenden Kohlebergwerken und einigen Metallbergwerken können Haupt- und Hilfsventilatoren explosionsgeschützte Ausführungen und Ex-Motoren benötigen, um Zündquellen in potenziell explosiven Atmosphären zu vermeiden.

• Zuverlässigkeit und Redundanz
  Betriebs-/Reservekonzepte, automatische Umschaltung und Notstromversorgung stellen sicher, dass der Luftstrom auch bei Ausfall eines Ventilators oder einer Stromversorgung aufrechterhalten bleibt.

• Überwachung und Regelung
  Moderne Gruben nutzen Sensorik und Leitsysteme zur kontinuierlichen Überwachung von:

• Drehzahl, Stromaufnahme und Schwingungen

• Differenzdruck über dem Ventilator

• Volumenstrom, Gaskonzentration und Temperatur in Hauptstrecken und Rückwetterwegen

• Verfahren zum Starten und Stoppen
  Änderungen im Ventilatorbetrieb können die Luftverteilung erheblich beeinflussen; Vorschriften verlangen typischerweise Gefährdungsbeurteilungen und Betriebsanweisungen für geplante Ventilatorabschaltungen.

Typische Einsatzbereiche von Bewetterungsventilatoren

Bewetterungsventilatoren werden in nahezu jeder Art von Untertagebetrieb eingesetzt:

• Kohlebergwerke – Haupt- und Boosterlüfter für die Gesamtbewetterung; explosionsgeschützte Ortslüfter für lange Abbaue und Vortriebe.

• Metall- und Nichtmetallbergwerke – große axiale Hauptbewetterungsventilatoren für Rampen- (Abfahrts-) und Schachtsysteme sowie Hilfsventilatoren für Abfahrten und Abbaubereiche.

• Tunnel und Ingenieurbau – Axialventilatoren und Lutten für Straßen-, Bahn- und Wassertunnel, oft ähnlich zur bergbaulichen Ortsbewetterung.

• Staub- und Abgaskontrolle – kombinierter Einsatz von Bewetterung und Wasser-/Staubsammelsystemen zur Reduzierung von lungengängigem Staub und Dieselpartikeln.

Eine passende Ventilatorauswahl und -positionierung kann den Energieverbrauch deutlich senken und dennoch die geforderte Luftqualität unter Tage sicherstellen.

Wie wählt man einen Bewetterungsventilator aus (Ingenieurssicht)

Ein professioneller Auswahlprozess umfasst in der Regel:

1. Bewetterungsbedarf festlegen

• Erforderliche Luftmenge je Revier und für die gesamte Grube

• gesetzliche Mindestwerte (pro Person, pro Dieselgerät, pro Vortrieb)

2. Bewetterungsnetzmodell erstellen oder aktualisieren

• Streckenlängen, Querschnitte und Atkinson-Widerstand

• Wetterdämme, Wetterregler, Türen, Leckagepfade

3. Ventilatortyp und Konfiguration auswählen

• Axial vs. radial

• Einzelventilator, zwei Ventilatoren parallel oder in Reihe

• Betriebs-/Reserveanordnung, ggf. Boosterlüfter

4. Betriebspunkte und Kennlinien prüfen

• Stabiler Betrieb nahe dem maximalen Wirkungsgrad

• Sicherstellen, dass Reserven für spätere Ausbau-/Produktionssteigerungen vorhanden sind

5. Sicherheit, Geräusch und Normenkonformität verifizieren

• Explosionsschutzanforderungen (falls zutreffend)

• Lokale Vorschriften und Richtlinien zur Bewetterung

6. Überwachung und Regelung planen

• Einsatz von Frequenzumrichtern (FU) zur Feinregelung des Volumenstroms und zur Energieeinsparung

• Integration in Gruben-SCADA bzw. Bewetterungsleitsysteme