Die Charakterisierung von Lagerstätten

Grundlage des Einsatzes und der Entwicklung von Technologien und Maschinen (Teil 2.2)

Zusammenfassung: Die geologischen Merkmale der Steinkohlenlagerstätte des Ruhrgebietes werden als Beispiel zur Charakterisierung einer komplex aufgebauten Lagerstätte vorgestellt. Die Merkmale werden durch Sedimentgesteinsschichten und unterschiedlich inkohlte Steinkohlenflöze sowie durch Elemente der einengenden Tektonik (Sättel, Mulden, Falten, Überschiebungen) und der dehnenden Bruchtektonik (Gräben, Horste, Störungen) bestimmt. Die Flöze mit ihren sehr unterschiedlichen geometrischen und stofflichen Merkmalen (Teufen, Flözdicken, flächige Flözerstreckungen, Flözneigungen, Lithotypen) erforderten in der Vergangenheit stetige Neu- und Weiterentwicklungen der Bergbautechnologie und Maschinentechnik, um einen Abbau der Steinkohlen mit Unterstützung von Subventionen zu rechtfertigen. Trotz eines seit über 700 Jahren währenden und Oktober 2018 ausgelaufenen Bergbaus enthält die Lagerstätte noch erhebliche Vorräte, die im Weltmaßstab jedoch eher bescheiden sind. Diese dennoch für Deutschland strategischen Vorräte lassen sich in Zukunft nur wirtschaftlich heben, wenn neue Technologien entwickelt werden.

4‌‌‌.1.2 Merkmale

Prägend für die Steinkohlenlagerstätte des Ruhrgebietes sind also Sedimentgesteinsschichten und Steinkohlenflöze sowie Elemente der einengenden Tektonik und der dehnenden Bruchtektonik. Sie umfassen hauptsächlich einen sich in nordwestlicher Richtung abschwächenden Faltenbau, bestehend aus südwest-nordöstlich verlaufenden Sättel und Mulden, deren vertikale Stockwerke durch deren Achsenwellung gesteuert sind, überformenden Falten und begleitenden Überschiebungen sowie mehr oder weniger senkrecht dazu südost-nordwestlich streichenden Gräben und Horste mit ihren ursächlichen Störungen. (Bild 19)

Im Detail liegt somit eine Lagerstätte vor, deren Charakterisierung durch geologische Merkmale die komplexe Falten- und Bruchtektonik sowie die unterschiedlichen Schichtmächtigkeiten berücksichtigen muss (Bild 20). Dazu wird das Vorkommen mittels tektonischer Elemente (Diskontinuitäten, Dislokationen), die die Grenzflächen bilden, in Großschollen und Blöcke gegliedert. Die in einem Block erfassten Schichten und Flöze können dann geometrisch und stofflich gekennzeichnet werden [6, 21] (Bild 21). Auf dieser Grundlage lässt sich nun eine komplexe Lagerstätte, wie die des Ruhrgebietes, entsprechend Bild 4 des ersten Teils dieser Abhandlung charakterisieren [47]. In der Folge werden nur die Merkmale der Kohlenflöze dargestellt, wenngleich die Merkmale der Nebensteine insbesondere auch für den Bergbau und die Gewinnung (z. B. Auffahrung der Strecken, Standsicherheit des Grubenbaus) wichtig sind.

4.1.2.1 Lage

Das variszische Vorland mit seinen fast durchgehend kohlenführenden Oberkarbonschichten erstreckt sich über nahezu den ganzen nördlichen Teil Deutschlands und das Gebiet der Niederlande bis unter die Nord- und Ostsee (Bild 1). Die Schichten fallen dabei nach Norden ein, d. h. je nördlicher sie angetroffen werden, desto tiefer liegen die Kohlenflöze. Unterbrochen wird dieses Abtauchen unter das immer mächtigere Deckgebirge durch lokale tektonische Strukturen, wie beispielsweise an der Osning-Störung, am Horst von Ibbenbüren oder am Sattel von Ochtrup. Die Steinkohlenlagerstätte des Ruhrgebietes ist also nur ein kleiner Teil der insgesamt vorliegenden Kohlenvorkommen des variszischen Vorlandes.

4.1.2.1.1 Koordinaten

Im Süden sind die Vorkommen durch den Ausbiss der Flöze begrenzt. Hier wurde das zutage tretende produktive Oberkarbon schon im Mittelalter durch Stollen und Pingen erschlossen. Zur Abgrenzung des Untersuchungsgebietes in den anderen Richtungen soll in dieser Abhandlung willkürlich, wenn auch technologisch-wirtschaftlich bedingt, die 1200 m Tiefenlinie der Grenze zwischen den Schichten des Oberkarbons und denen des Deckgebirges dienen. Innerhalb dieser Grenzen erstrecken sich die steinkohlenführenden Schichten in Ost-West-Richtung über 100 km (etwa 6 ° bis 8 ° ö. v. Gr.) bei einer Nord-Süd-Erstreckung von ca. 50 km (± 51 ° 30‘ n. d. Ä.) (Bild 22). Insgesamt wird somit eine Fläche von 5621 km2 überstrichen.

4.1.2.1.2 Teufe

In dem Gebiet, das eine Karbonoberfläche höher als 1200 m unter der Erdoberfläche aufweist, liegen kohlenführende Schichten unterschiedlicher Mächtigkeit in verschiedenen Teufen [7, 11, 22, 23] (Bild 23). Das Maximum der Kohlenvorräte stellen Flöze in einer Teufe zwischen 1300 m und 1400 m dar; Schichten, die bisher kaum abgebaut wurden. Höher liegende Flöze sind zwar ausgebeutet worden, jedoch verbleiben selbst in diesen Teufenbereichen nicht unerhebliche Vorräte. Gänzlich unverritzt sind die Flöze, die tiefer als 1400 m liegen. In allen Teufenlagen liegen die Kohlen mehrheitlich in Flözen dünner als einem Meter, wenngleich mächtigere Flöze etwa ein Drittel der Vorräte ausmachen.

4.1.2.1.3 Orientierung

Die Orientierung der Flöze kann durch ihre Einfall- und Streichwinkel angegeben werden. Für die Gewinnung der Kohle ist der Einfallwinkel entscheidend, so dass die Flözneigungen aus technologischen Gründen in Einfallgruppen gegliedert werden. Jedoch erfolgt die Einordnung der Einfallwinkel nicht einheitlich. So definiert eine Einordnung eine flache Lagerung der Flöze bei einem Einfallen bis 20 gon, eine mäßig geneigte solche bei einem Einfallwinkel bis 45 gon und steile Lagerungen, die mehr als 45 gon Neigung aufweisen [21]. Andere Eingruppierungen ordnen flache Lagerungen von 0 bis 20 gon Neigung zur Horizontalen ein, mäßig geneigte von über 20 bis 40 gon, stark geneigte von über 40 bis 60 gon und steile dann von über 60 bis 100 gon (entsprechend 90 °) [3].

Tektonische Vorgänge nach Ablagerung der Kohlenschichten verursachten ein unterschiedliches Einfallen der ursprünglich horizontal liegenden Flöze (Bild 24). Bei der zuletzt erfolgten Begrenzung des Abbaus der Flöze auf die mit flacher Lagerung beschränkte sich die Gewinnung der Steinkohlen deshalb auf Bereiche des Sattelhöchsten und des Muldentiefsten und ließ die Flanken und Störungszonen weitgehend unangetastet. Dieser eingeschränkte Abbau führte dementsprechend zur unzureichenden Nutzung der Lagerstätte [6].

4.1.2.2 Geometrie 

Die Geometrie von Schichten ist durch die Abmessungen in drei Richtungen bestimmt. Die Grenzflächen zum Nebengestein im Liegenden und Hangenden verlaufen weitestgehend aufgrund der flözförmigen Ausprägung der kohlenführenden Schichten parallel, so dass die Flözmächtigkeit annähernd konstant über größere Flächen bleibt. Jedoch weisen infolge der Faltung die Flöze Biegungen im Sattel- und Muldenbereich und erhöhtes Einfallen im Bereich der Flanken auf. Infolge von Störungen zerfällt ein Flöz weiterhin in einzelne Abschnitte, die z. T. erhebliche Versetzungen zueinander aufweisen.

Die Flöze des Ruhrgebietes kommen in Schichten von wenigen Millimetern bis zu mehreren Metern vor. Mächtigkeiten von über 4 m sind jedoch selten. Auf der Zeche Sachsen wurde beispielsweise ein Flöz von etwa 6,3 m angetroffen, das aber aus mehreren durch dünne Zwischenmittel getrennten Einzelflözen besteht [26].

Von den über 200 Flözen des Ruhrgebietes waren nicht alle bauwürdig. Die Bauwürdigkeit hing von der Marktsituation, der zur Verfügung stehenden Bergbautechnologie und den geologischen Verhältnissen ab. Diese Bedingungen änderten sich mit der Zeit. So lag die mittlere Mächtigkeit der abgebauten Kohleflöze in den 1930er Jahren bei ca. 1,15 m reiner Kohle bzw. etwa 1,25 m Kohle unter Einbeziehung der eingelagerten und beigebrochenen Berge, stieg dann 1960 auf 1,25 m bzw. 1,41 m und erreichte 1990 1,42 m bzw. 1,74 m [6, 26, 28].

Weiterhin ist die Kontinuität der Schichten durch Bruchtektonik beeinträchtigt, so dass Störungen die Flöze in Flözteilstücke zerlegen und somit ihre laterale Ausdehnung beschränken. Demzufolge begrenzt die Tektonik des Steinkohlengebirges die Flözteilstücke mit konstanten Schichtdicken. Die Intensität der Bruchtektonik variiert allerdings stark (Bild 25). Die Anzahl der Sprünge und Blätter je Längeneinheit steigt von Südosten nach Nordwesten und verhält sich somit umgekehrt proportional zur Einengung des Ruhrkarbons, d. h. je stärker das Gebirge gefaltet ist, desto weniger Quer- und Diagonalstörungen treten auf. Weiterhin zeigen tendenziell die großen Grabenzonen und Hauptmulden ein erhöhtes Niveau der Bruchtektonik im Gegensatz zu den Zonen der Achsendepression und Hauptsättel. Ungestörte Flözteilstücke über mehrere 1000 m Längen- und Breitenerstreckung und mindestens 1 m Mächtigkeit sind eher selten [9].

4.1.2.3 Stoff1

Die Steinkohlen des Ruhrgebietes spielten eine entscheidende Rolle bei der Industrialisierung Deutschlands. Nicht nur die Größe der Lagerstätte, sondern auch die unterschiedlichen Kohlenarten, also die stofflichen Merkmale, waren entscheidend. Einige Arten eigneten sich zur Deckung des Energiebedarfs in Form von Kesselkohle für Kraftwerke, Stadtgas zur privaten und industriellen Nutzung oder Briketts für den Hausbrand, andere lieferten Kohlenstoff als metallurgisches Reduktionsmittel in Form von Koks für die Eisen- und Stahlindustrie und weitere wiederum dienten in der Kohlechemie zur Erzeugung von chemischen Grundstoffen, wie Benzol oder Ammoniak.

Parallel dazu entwickelte sich die Kohlenanalytik zur Bestimmung der geologischen, chemischen und physikalischen Merkmale. Aufgrund der unterschiedlichen Ausgangsstoffe und geologischen Bedingungen bei der Entstehung liegt mit der Kohle ein höchst komplexer Wertstoff vor, so dass sie bis heute rein wissenschaftlich gesehen nicht ausreichend charakterisiert werden kann. Deshalb werden je nach eingesetzten und vorgesehenen Prozessen und Maschinen zusätzliche Materialtests durchgeführt, die technologische Kenngrößen liefern (z. B. Mahlbarkeit, Verschleißindex). Erschwerend kommt weiterhin dazu, dass sich in den „traditionellen“ Kohleländern - wie Deutschland, Großbritannien, Polen, Frankreich oder den USA - unterschiedliche Untersuchungsmethoden und Kennwerte (z. B. USA: ASTM D 388; Australien: AS K 184; Polen: PN-68 / G-97 002) entwickelt haben und genutzt werden. Deutlich werden diese Probleme heute immer noch bei der parallelen Gültigkeit nationaler Normen, die den Export z. B. von Maschinen erschweren können. Gleichwohl besteht das Bestreben, weltweit einheitliche Kriterien zur Charakterisierung der zusehends immer mehr international gehandelten Kohle, sog. „Weltkohle“, zu entwickeln und festzulegen (z. B. DIN 23 003, nicht mehr gültig). Aus diesen Gründen ist es unmöglich, die stofflichen Merkmale wissenschaftlich stringent abzuleiten und zusammenzustellen.

Diese Abhandlung beschränkt sich im Folgenden auf die geologische Charakterisierung der Kohle. Die Bestandteile und ihr Verbund sind Träger der chemischen, physikalischen und technologischen Merkmale. Die Bestandteile der Kohle umfassen die Macerale, Minerale und Ungänzen, während ihr Verbund das Gefüge der Kohle darstellt. Kohle lässt sich also geologisch wie Gesteine durch ihre Bestandteile und deren geometrische Kenngrößen (z. B. Abmessungen, Form) sowie deren räumliche Anordnung (z. B. isometrisches, lineares Gefüge) charakterisieren. [46]

Die geologische Charakterisierung fußt jedoch auf höchst unterschiedlichen Methoden. Neben geologischen, biologischen, chemischen und physikalischen Analysen und Begriffen werden auch technologische Gesichtspunkte, die sich aus der langen Praxis des Steinkohlenbergbaus entwickelt haben, genutzt. Die wissenschaftliche Ableitung der geologischen Kohlensystematik ist deshalb auch unbefriedigend, aber der geschichtlichen Entwicklung geschuldet.

Weiterhin ist die Charakterisierung eine Funktion des Maßstabs. Für den Bergbau spielt der Gebirgsverband die entscheidende Rolle, während für die Gewinnung das Flöz und für die Aufbereitung die aus dem Flöz gewonnenen Stücke ausschlaggebend sind. Deshalb erfolgt die geologische Charakterisierung der Kohle makroskopisch durch Lithotypen, die einen Größenbereich von Millimetern bis Metern überdecken, und mikroskopisch durch Mikrolithotypen, die einen Bereich von Mikro- bis Millimetern umfassen, und durch Maceralgruppen und ihre Macerale sowie durch deren Vergesellschaftungen. Die entsprechenden Merkmale sind in ihrem Betrag demnach auch maßstabsabhängig. So weist ein zentimetergroßes Stück des makroskopischen Lithotyps Fusain, der ausschließlich aus dem Maceral Fusinit besteht, ein spezifisches Gewicht von 0,215 bis 0,4 kg/dm3 auf, während Staub aus Fusinit Werte von 1,38 bis 1,46 kg/dm3 zeigt. Die Ursache liegt in der natürlichen Porosität des Fusains [44].

Im Folgenden werden aufgrund der beschriebenen Schwierigkeiten die Kohlen nach unterschiedlichen Kriterien charakterisiert. Die daraus abgeleiteten Merkmale führen zu verschiedenen Klassifikationen der Kohlen und ihrer Bestandteile [1, 2, 4, 19, 20, 24, 26, 27, 41, 44, 54].

4.1.2.3.1 Kohle1 

Die chemischen Stoffgruppen und deren Reaktionsvermögen sowie das Ausgangsmaterial dienen zur Abgrenzung der Kohle von anderen Gesteinen. Kohle besteht demnach aus einem Gemenge von verschiedenen anorganischen und organischen Bestandteilen, hauptsächlich pflanzlicher Herkunft. Davon sind die organischen und manche anorganischen (z. B. Schwefel) brennbar. Die anorganischen, nicht brennbaren Komponenten (z. B. Quarz, Kalkspat) bilden beim Verbrennungsprozess Asche. Geologisch betrachtet ist Kohle also ein brennbares Sedimentgestein vornehmlich pflanzlichen Ursprungs, ein Kaustobiolith.

Zur Einordnung der Kohle als Gestein wird der volumetrische Anteil der anorganischen Bestandteile genutzt (Bild 26). Bis zu einem Anteil von 8 Vol-% liegt Kohle vor, darüber hinaus bis 20 Vol-% unreine Kohle. Übersteigt der anorganische Anteil 20 Vol-%, wird das Gestein als Brandschiefer bzw. bei über 60 Vol-% als Berge bezeichnet [2].

4.1.2.3.2 Kohlentypen1 

Äußerlich lassen sich die Kohlen in geschichtete, sog. Streifenkohlen, und ungeschichtete, sog. ungestreifte Kohlen, unterscheiden. Die Ursache des unterschiedlichen äußeren Erscheinungsbildes dieser zwei Kohlentypen liegt in ihrer Genese begründet.

Beide Kohlentypen entstehen zwar aus ständiger Ablagerung von hauptsächlich immer neu absterbenden Pflanzen, die biochemisch in Mooren gewandelt werden. Bei Streifenkohlen vertorft die Pflanzensubstanz an der Erdoberfläche in Mooren bei stark behinderter Sauerstoffzufuhr aufgrund des hohen Grundwasserspiegels, wo hingegen bei den ungestreiften Kohlen das Pflanzenmaterial unter teilweiser Einbeziehung von tierischer Substanz unter der Wasseroberfläche ohne Sauerstoffzufuhr fault. Die anschließende Inkohlung erfolgt für beide Typen in größerer Erdtiefe durch geobiochemische Prozesse bei der Diagenese. Aufgrund der bei der Genese entstandenen unterschiedlichen Zwischenstoffe werden die Streifenkohlen auch Humuskohlen und die ungestreiften Kohlen Faulschlamm- oder Sapropelkohlen genannt.

4.1.2.3.3 Kohlenarten1 

Aus der pflanzlichen Ausgangssubstanz entstehen durch unterschiedliche Reaktionen verschiedene Zwischenstoffe, die dann durch Druck und Temperatur in Steinkohlen gewandelt werden. Dieser Prozess wird auch Inkohlung genannt. Mit zunehmender Inkohlung reduzieren sich die Anteile an flüchtigen Bestandteilen sowie hygroskopischem Wasser, während die des Kohlenstoffes ansteigen. Aufgrund der Vorkommen von Steinkohlen mit stark unterschiedlicher Inkohlung in einzelnen Schichten des Ruhrgebietes erfolgt eine Einteilung der Kohlenarten nach dem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen (Basis: wasser- und aschefrei) (Bild 27). Während Anthrazitkohlen fast vollständig inkohlt und entgast sind, bestehen Flammkohlen fast zur Hälfte aus flüchtigen Bestandteilen.

4.1.2.3.4 Lithotypen1 

Aus den Flözen lassen sich nun Kohlenstücke oder -streifen separieren, die ein einheitliches äußeres Erscheinungsbild aufweisen. Sie dienen zur makroskopischen Charakterisierung.

Bei den Humuskohlen wird zur Bezeichnung der optische Eindruck genutzt. Dazu werden die bergmännischen Begriffe Glanz-, Halbglanz-, Matt- und Faserkohlen genommen. Die international gebräuchlichen Namen beruhen jedoch z. T. auf anderen Eigenschaften der Lithotypen. Glanzkohle, auch Vitrain genannt, ist schwarz und zeigt einen glasigen Glanz. In reiner Form liegt sie als Anthrazit vor.

Mattkohle hat im Gegensatz zur Glanzkohle i. d. R. einen Stich ins Graue und weist einen matten bis stumpfen Glanz auf. Der internationale Begriff “Durain” bezieht sich allerdings auf eine andere Eigenschaft dieser Kohle, nämlich auf ihre Härte.

Halbglanzkohle nimmt optisch eine Zwischenstellung zwischen der Glanz- und der Mattkohle ein. Ihre Fachbezeichnung Clarain nimmt Bezug auf den Klang, der beim Anschlagen der Kohle entsteht.

Faserkohle ist grau bis schwarz und glänzt seidig, samtig und zeigt faseriges Aussehen. Aufgrund ihrer stark färbenden Eigenschaft wird sie auch Fusain genannt.

Systematische Untersuchungen der Kohlen des Ruhrgebietes zeigen eine Korrelation zwischen den Kohlenarten und ihren Gehalten an den einzelnen Lithotypen [27]. Dabei wurden 58 Flöze von 15 Schachtanlagen definiert beprobt (Schlitzproben), wobei die Kohlenarten bei diesen Untersuchungen in Gasflamm-, Gas-, Fett- und Magerkohlen und die Lithotypen in Glanz-, Matt- und Faserkohlen sowie Berge eingeteilt wurden (Bild 28). Der Gehalt an Faserkohle variiert in den einzelnen Kohlenarten nur wenig. Der Durchschnitt beträgt 3,3 % in den Ruhrkohlenflözen. Die Glanz- und Mattkohlengehalte zeigen eine gegenläufige Tendenz. So liegen die Glanzkohlengehalte bei den Gasflamm- und Gaskohlen bei etwa 65 % und steigen bei den Fett- und Magerkohlen auf über 80 %. Entsprechend fallen die Mattkohlengehalte bei den Gasflamm- und Gaskohlen von 25 % auf 13 % bzw. 7 % bei den Fett- und Magerkohlen. Der Inkohlungssprung zwischen den Gaskohlen und Fettkohlen ist also deutlich an den Gehalten der Glanz- und Mattkohlen zu erkennen [27]. Die Anteile der Berge liegen im Schnitt zwischen etwa 3 und 6 %. Höhere Gehalte – häufig über 50 % in der Förderkohle – stellten sich ein, wenn bei der Gewinnung Zwischenmittel nicht ausgehalten werden konnten oder aus dem Hangenden und Liegenden Berge beibrachen.

Die Lithotypen der Faulschlammkohlen umfassen die Cannel- und Bogheadkohlen. Beide Kohlen sehen schwarzbraun sowie matt aus und ähneln den Mattkohlen. Ihre Namen leiten sich von den Brenneigenschaften und dem Ort ihrer Erstbeschreibung ab. Cannelkohle in kleinen Bruchstücken lässt sich leicht anzünden und brennt dann wie eine Kerze. Die Bezeichnung Bogheadkohle erfolgte nach dem schottischen Ort Boghead.

Cannel- (auch Kennel-) und Bogheadkohlen sind im Ruhrgebiet mengenmäßig unbedeutend. Sie bilden jedoch lokal nicht unwesentliche Vorkommen. Kennelkohlen kommen in Flözen und Packen zwischen einigen Zentimetern und 1,4 m sowie horizontalen Ausdehnungen von wenigen 100 m und mehreren Kilometern vor, so im Flöz 12 der Zeche Schlägel und Eisen 5/6 oder im Flöz Zollverein 6 der Zeche Helene und Amalie (Schacht Helene). Seltener treten Bogheadkohlen auf. Sie liegen als Packen vor, wie im Flöz Z der Zeche Auguste Victoria oder im Flöz 2 der Zeche Friedrich Thyssen II/V. Auch Mischtypen aus Kennel- und Bogheadkohlen kommen vor, beispielsweise auf der Grube Lohberg [26].

4.1.2.3.5 Mikrolithotypen1 

Die makroskopisch betrachteten Lithotypen setzen sich mikroskopisch aus Mikrolithotypen mit jeweils unterschiedlicher Maceral- und Mineralvergesellschaftung zusammen. Der Mikrolithotyp stellt die Verwachsung der Maceralgruppen dar, wobei der Anteil der Minerale bis 60 % betragen kann (siehe hierzu Kapitel 4.1.2.3.6 und 4.1.2.3.8). Ist der Anteil der Minerale niedrig (< 8 Vol-%), so dass die Dichte der Steinkohle einen Wert von 1,5 g/cm³ nicht überschreitet, wird der Mikrolithotyp nach seiner Maceralzusammensetzung bezeichnet [20]. Unterschieden werden hierbei drei Mikrolithotypen, nämlich Vitrit, Liptit und Inertit, die alleine, aber auch in Zweier- und Dreierkombination vorliegen können (Bild 29). Die Zweierkombinationen werden mit gesonderten Begriffen belegt, so mit Clarit aus der Kombination von Vitrit und Liptit, mit Durit aus Liptit und Inertit sowie mit Vitrinertit aus Vitrit und Inertit. Die Benennung der trimaceralischen Mikrolithotypen richtet sich nach den vorherrschenden Anteilen der sie aufbauenden Maceralgruppen. Bei dominantem Anteil von Vitrinit und untergeordnetem Anteil von Inertinit liegt Duroclarit vor, bei umgekehrten Verhältnissen Clarodurit [1, 24]. Herrscht hingegen Inertit gegenüber Vitrit und Liptit vor, so spricht man von Vitrinertoliptit.

Mikrolithotypen mit einem erhöhten Anteil an Mineralen (8 ÷ 60 Vol-%) erhöhen die Dichte der Steinkohle. Liegt diese zwischen 1,5 bis 2,0 g/cm³, so werden diese Mikrolithotypen als Carbominerite benannt. In Abhängigkeit der eingebundenen Minerale erfolgt dann die Bezeichnung der Kohle-Mineral-Verwachsung nach der vorherrschenden Mineralgruppe, wenn gleich wissenschaftlich nicht stringent, da unterschiedliche Anteile anderer Minerale zulässig sind. Neben diesen hauptsächlich monomineralischen Kohle-Mineral-Verwachsungen mit einem dominanten Anteil einer Mineralgruppe kommen auch Verwachsungen mit mehreren vor. Diese polymineralischen Verwachsungen werden als Carbopolyminerite  benannt [20] (Bild 29). Überschreitet der Anteil der Minerale 60 Vol-% bzw. die Dichte der Kohle 2,0 g/cm³,  werden diese Gesteine als Berge bezeichnet (Bild 26).

Abhängig von der Genese sind Macerale und Minerale mehr oder weniger innig miteinander verwachsen. Dabei werden die syn- und epigenetischen anorganischen Bestandteile als mineralische Einlagerungen gerechnet [19]. Als Einlagerungen können jedoch auch andere Minerale (z. B. oxidische Erze, Sulfate) vorliegen, ohne dass spezielle Namen vorgesehen sind. Bei Salzen spricht man hingegen von Salzkohlen.

4.1.2.3.6 Maceralgruppen1 

Kohlen sind nicht homogen, sondern bestehen aus unterschiedlichen Gefügebestandteilen, den Maceralen, die entsprechend ihrer Ausgangssubstanz und ihrer Wandlung während des Inkohlungsprozesses in Maceralgruppen zusammengefasst werden. Die Gliederung der Maceralgruppen basiert auf den drei Komponenten des pflanzlichen Substrats. Die humosen Bestandteile bestehen hauptsächlich aus Eiweiß, Zellulose, Lignin und Gerbstoffe, die im Laufe des Inkohlungsprozesses die Macerale der Gruppe des Vitrinits bilden. Die bituminösen Komponenten umfassen vornehmlich Harze, Wachse, Fette, Öle, Latex und Kork, deren Inkohlungsprodukte in der Maceralgruppe des Exinits eingeordnet werden. Die dritte Gruppe, die der Inertite, geht aus der Wandlung der inerten Anteile der Pflanzen hervor, wie Chitin oder holzkohlenähnliche Komponenten.

Die verschiedenen Kohlen- bzw. Lithotypen sowie die Mikrolithotypen bestehen aus einzelnen Maceralgruppen (Bild 30). Manche Kohlen wie Glanzkohle bestehen überwiegend nur aus einer Maceralgruppe, nämlich zu über 95 % aus Vitrinit, während Halbglanzkohle aus mindestens zwei Maceralgruppen unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet ist.

4.1.2.3.7 Macerale

Die kleinsten erfassten organischen Bestandteile der Kohlen sind die Macerale. Die einzelnen Macerale der Steinkohlen weisen vergleichsweise wie Minerale weitgehend ähnliche Elementarzusammensetzungen und technologische Eigenschaften auf, sofern der Inkohlungsgrad gleich ist [20]. Sie können gelegentlich jedoch – wenn möglich – noch weiter differenziert werden. Je nach Genese und Petrographie werden Maceraltypen unterschieden (z. B. Maceral: Fusinit; Maceraltyp: Brandfusinit). Ist die pflanzliche Ausgangssubstanz erkennbar, können Maceralvarietäten bestimmt werden (z. B. Maceral: Telinit; Maceralvarietät: Fungotelinit). Häufig liegen die Macerale stofflich und strukturell nicht homogen vor, sondern zeigen im Innern weitere Strukturelemente. Diese werden dann Kryptomacerale genannt (z.B. Kryptotelinit) [2, 20]. Zusammen mit den Mineralen und Ungänzen bilden die Macerale das Gefüge der Kohlen.

Die Macerale der Gruppe des Vitrinits (Bild 31) bilden sich zum größten Teil aus dem Holz und der Rinde der Bäume. Je nach Erhaltungszustand der Zellstrukturen werden drei Varietäten unterschieden. Strukturloser Vitrinit entsteht hauptsächlich aus der Zellfüllung und wird Collinit genannt. Das Zellgefüge ist nicht mehr erkennbar. Die humitische Substanz liegt vornehmlich im Kolloidalzustand vor. Pausen sich hingegen in der Struktur des Vitrinits die Zellwände durch und sind somit noch, wenn auch meistens nur rudimentär, Zellstrukturen erkennbar, so wird dieses Maceral Telinit genannt [4]. Sind die Zellstrukturen zerrieben, zerkleinert und deformiert, so werden diese Bestandteile dem Sammelbegriff des Macerals Vitrodetrinit zugeordnet. Collinit, Telinit und Vitrodetrinit bilden abgesehen von den Sapropelkohlen die Grundmasse der Humuskohlen.

Die Macerale der Gruppe des Exinits oder Liptinits (Begriff heute gebräuchlicher) (Bild 31) umfassen vornehmlich die Bitumenträger der Kohlen. Sie stammen von den Fortpflanzungsorganen der Pflanzen des Karbons sowie von anderen resistenten Pflanzenteilen. Im Paläozoikum gab es noch keine Blütenpflanzen, sondern die Vermehrung der vorherrschend kohlebildenden Pflanzen erfolgte durch Sporen. Während die Innenhaut der Sporen nach dem Absterben der Pflanzen zerstört wurde, ist die Außenhaut (Exine) sehr widerstandsfähig und erhielt sich größtenteils über den Inkohlungsprozess hinweg. Das Wort „Exine“ wurde deshalb namensgebend für alle Bitumenträger der Kohle, den Exinit. Für das Maceral Sporinit ist das Ausgangsmaterial die Sporenhaut, für Cutinit die Kutikulen, die widerstandsfähige Membran der Außenhaut der Pflanzen, insbesondere der Blätter, für Alginit die ölhaltigen Algen, für Resinit die Wachse und Harze. Wenn das Ausgangsmaterial des Exinits nicht mehr erkennbar ist, also dieser als Detritus vorliegt, werden diese Kohlenbestandteile durch das Maceral Liptodetrinit zusammengefasst. Die Macerale der Gruppe des Exinits bilden Einlagerungen in der Grundmasse der Humuskohlen. Hingegen bildet nicht die Grundmasse den Hauptbestandteil der Sapropelkohlen, sondern die Einlagerungen überwiegen, so Algenit bei den Boghead-Kohlen und Sporinit bei den Cannelkohlen [4].

Die Macerale der Gruppe der Inertite (Bild 31) verhalten sich chemisch weitestgehend inert, wie beispielsweise bei der Veredlung der Kohle, der Verkokung oder der Extraktion. Aus diesem Verhalten leitet sich der Gruppenname ab. Die Macerale entstehen aus thermischen und mikrobiologischen Prozessen in den Mooren (z. B. Fusinit oder Makrinit) oder sind Reste von Pilzen (z. B. Sclerotinit). Der Fusinit liegt stenglig-faserig in der Kohle vor und färbt stark ab. Er kommt in zwei Typen vor. Fusinit entsteht zum einen beim Brand von Wäldern und lagert sich als Holzkohle in den Torfen der Moore ab (Brandfusinit). Zum anderen bildet sich Fusinit durch Holz- und Rindenzersetzung bei Pilzbefall (Zersetzungsfusinit). Dieser Fusinit ist also keine echte Holzkohle, sondern ist ein Maceral, das petrographische und chemische Eigenschaften einer Holzkohle durch mikrobielle Prozesse angenommen hat [4, 25, 45]. Der Semifusinit zeigt wie der Fusinit eine Zellstruktur, aber er nimmt eine Zwischenstellung zwischen dem Fusinit und dem Vitrinit ein. Er kommt wie der Fusinit entsprechend der Genese auch als Brand- und Zersetzungstyp vor. Obgleich der Sclerotinit ähnliche petrographische und technologische Eigenschaften aufweist wie der Fusinit, so ist dessen Entstehung gänzlich verschieden. Sclerotinit setzt sich aus Pilzgewebe, den Sclerotien (Pilzdauerformen) zusammen [4]. Micrinit und Macrinit zeigen hingegen keine Strukturen auf. Die Zellstrukturen der pflanzlichen Ausgangssubstanz geht während des Inkohlungsprozesses verloren. Der Micrinit kommt sehr feinkörnig, der Macrinit feinkörnig bis massig im Kohlengefüge vor [2, 19, 20]. Ein weiteres Maceral ohne Zellstruktur ist der Inertodetrinit. Dabei handelt es sich um einen Bestandteil, dessen Herkunft nicht mehr erkennbar ist aufgrund von Zersetzung, Zerkleinerung und Umwandlung. Somit stellt der Inertodetrinit einen Sammelbegriff für nicht mehr zuordenbare Inertinitbestandteile dar [2].

4.1.2.3.8 Minerale

Kohle besteht neben den organischen Maceralen auch aus anorganischer Substanz. Diese wird in vier Gruppen eingeteilt.

Ein Teil stammt von den Pflanzen, die biogene, anorganische Minerale in ihrem Gewebe speichern. Deren Anteil ist jedoch gering und überschreitet nicht Werte von 0,1 % bis 0,2 % [15]. Biogenetisch und damit organisch gebunden liegt auch Schwefel in der Kohle vor. Sein Anteil liegt im Ruhrgebiet i.d.R. zwischen 0,6 % und 0,8 % [30].

Eine zweite Gruppe bildet sich während des beginnenden Inkohlungsprozesses im Moor. Diese syngenetischen Komponenten werden als klastisches Material durch Wasser oder Wind sedimentiert oder aus Lösungen ausgefällt. Die klastischen Sedimente bestehen hauptsächlich aus Tonminerale, Glimmer, Feldspäte und Quarz. Die chemischen Sedimente entstehen aus der Wechselwirkung zwischen eindringenden Lösungen (echte und kolloidale) und den humosen Bestandteilen des Moores. Hierbei durchtränken die Lösungen die organische, aber auch die sedimentierte Substanz. Die ausgefällten Minerale, wie Tonminerale (nur aus Süßwasser, da nur Kieselsäure und nicht Aluminium in schwach alkalischem Meerwasser löslich sind), Karbonate, Sulfide und Quarz/Chalcedon, führen zu innigen Verwachsungen [15].

Die dritte Gruppe, die epigenetischen Bestandteile werden erst nach der Diagenese der Kohle in tektonisch entstandenen Rissen und Spalten sowie in Klüften aufgrund der Volumenschrumpfung der Kohle während der Inkohlung aus Lösungen ausgefällt. Die abgesetzten Minerale umfassen hauptsächlich Karbonate, Silikate und Sulfide. Aufgrund der Genese schwankt der Anteil dieser Beimengungen örtlich stark [15, 30].

Von diesen Bestandteilen zu unterscheiden sind anorganische Mittel, die technogen bei der Gewinnung aus den Zwischenmitteln oder den hangenden bzw. liegenden Nebengestein beibrechen. Eine Verwachsung mit der Kohle besteht i. d. R. nicht. Die eingesetzten Gewinnungstechnologien im Ruhrgebiet bedingten zum Teil ein erhebliches Beibrechen von Nebengestein, so dass der durchschnittliche Bergeanteil der Förderkohle häufig über 50 % lag [35].

Die Intensität der Verwachsung mit der Kohle steigert sich also von den techno- über die epi- und syn- zu den biogenetischen anorganischen Substanzen. Somit wird eine Trennung in der Aufbereitung immer schwieriger bzw. unmöglich.

4.1.2.3.9 Menge

Zur Abschätzung des Gesamtpotentials einer Lagerstätte sollte der Gesamtinhalt der Wertstoffe erfasst werden. Für das Ruhrgebiet kann nach der im Kapitel 4.1.2, Bild 21, vorgestellten Methodik ein Gesamtkohleninhalt von 204 · 109 m3, entsprechend etwa 270 · 109 t, innerhalb der in Kapitel 4.1.2.1.1 dargestellten Grenzen ermittelt werden [7, 11, 23].

4.1.2.4 Abgeleitete Merkmale 

Die Charakterisierung einer Lagerstätte, auch die der Steinkohlenlagerstätte des Ruhrbeckens, kann unter formalen geologischen Gesichtspunkten erfolgen. Aus den so gewonnenen geologischen Merkmalen können die zur Auslegung von Maschinen und Anlagen erforderlichen chemischen, physikalischen und technologischen Merkmalen abgeleitet werden. Gegebenenfalls sind weitere Untersuchungen ergänzend notwendig, falls die Korrelationen zwischen den Merkmalen noch unbekannt sind.

Bei der Erkundung einer Lagerstätte steigen die Kosten mit der Anzahl und Größe der zunehmenden Proben. Ohne gesicherte Kenntnisse aus der Probenahme und -analyse für die Auswahl und Dimensionierung der Anlagen und Maschinen können jedoch die kaufmännischen und technischen Risiken nicht eingegrenzt werden. Deshalb besteht das Ziel, aus wirtschaftlich gewinnbaren Proben (Gesteine, Kohlen, etc.) und notwendigen Analysen (Macerale, Minerale und deren Gefüge) die für die Praxis relevanten Merkmale abzuleiten, z. B. die Flotierbarkeit oder die Dichte zur Auslegung der Sortierprozesse oder die Härte zur Auswahl der geeigneten Werkstoffe für Gewinnungsmaschinen, Schurren und Silos.

4.1.3 Einordnung 

Die Steinkohlenlagerstätte des Ruhrgebietes hatte für die wirtschaftliche Entwicklung Deutschlands einen entscheidenden Beitrag geleistet. Im internationalen Vergleich jedoch sind die Kenndaten bei heutigen Maßstäben eher bescheiden. So lag die maximale jährliche Steinkohlenförderung im Ruhrgebiet temporär in den 1930er bis 1950er Jahren bei über 120 Millionen t, mit einem Maximum von nahezu 130 Millionen t im Jahr 1941 [6]. Diese Fördermenge wird heute jährlich im weltweit größten Tagebau Black Thunder in den USA (>100 x 106 t/a) nahezu erreicht [51].

Mit der Stilllegung der letzten Steinkohlengrube im Abbaugebiet Ende 2018 wurden dann seit Beginn des Bergbaus aus mehr als 3500 Bergwerken etwa 10 Mrd. t Kohle abgebaut [18, 34]. Bei einer weltweiten Produktion von heute rund 8 Milliarden t jährlich würde diese Menge gerade ausreichend sein, um den Bedarf von etwas mehr als einem Jahr zu decken.

Der Gesamtkohleninhalt des hier betrachteten Teils des Ruhrbeckens von rund 270 Mrd. t würde bei einer heute jährlich weltweit notwendigen Kohleförderung von etwa 8 Mrd. t gerade einmal ca. 35 Jahre reichen. Selbst bei Hinzurechnung der im Münsterland liegenden weiteren Kohlen von zusätzlich etwa 170 Mrd. t erhöht sich die theoretische zeitliche Reichweite auf lediglich ungefähr 60 Jahre [53]. Bei der dann erforderlichen gänzlichen Ausbeutung der Lagerstätte müssten jedoch neue Abbautechnologien entwickelt werden.

4.1.4 Bewertung 

Die Gesamtkohlenvorräte des Ruhrbeckens innerhalb der in Kapitel 4.1.2.1.1 dargestellten Grenzen beliefen sich auf etwa 270 · 109 t. Davon sind bis heute 10 · 109 t abgebaut, d.h. weniger als 5 % des gesamten Kohleninhaltes des Ruhrkarbons. Werden nun diese Mengen mit den zu erzielenden stark schwankenden Weltmarktpreisen für Kessel- und Kokskohle von etwa 50 bis 150 €/t bewertet, so entspricht der Gesamtvorrat einem Wert von ca. 15 bis 40 Billionen € und die bisherige Förderung von 10 · 109 t einem monetären Betrag von ca. 0,5 bis 1,5 Billionen €. Gemessen am jährlich erwirtschafteten deutschen Bruttoinlandsprodukt entsprechen die Werte ca. dem 5 bis 13-fachen bezogen auf die Gesamtvorräte bzw. etwa einem Sechstel bis der Hälfte bezogen auf die gesamte bisherige Förderung.

Mit heutigen Maßstäben sind die Beiträge der Steinkohlenförderung zum Bruttoinlandsprodukt daher eher als bescheiden einzustufen, wenngleich diese Einordnung für die Vergangenheit nicht zutrifft. Die noch vorhandenen Vorräte stellen allerdings eine nicht uninteressante Größenordnung dar, so dass es volkswirtschaftlich durchaus sinnvoll ist, Geld in die Weiter- und Neuentwicklung von Bergbau-, Gewinnungs- und Aufbereitungstechnologien zu investieren.

Neben dieser monetären Betrachtung der volkswirtschaftlichen Bedeutung der Kohlenvorkommen des Ruhrgebietes sollte auch das Ziel verfolgt werden, den Wertstoff, hier die Kohlen einer Lagerstätte möglichst vollständig zu gewinnen, da die Ausbeutung einer Lagerstätte unzweifelhaft nicht immer nur mit positiven Auswirkungen verbunden ist, so beispielsweise die Setzungsauswirkungen bei der Gewinnung im Bruchbau, die Inanspruchnahme von Flächen oder die Bereitstellung von staatlicher Infrastruktur.

Unter Beachtung betriebswirtschaftlicher, aber auch volkswirtschaftlicher Gesichtspunkte beschränkte sich der Abbau jedoch auf die Lagerstättenteile, die bei den zur Verfügung stehenden Technologien und Maschinen wirtschaftlich vertretbar ausbeutbar waren. Der Abwägungsprozess zwischen Nutzen und Nachteilen eines Bergbaus erfolgte letztlich politisch. Die Weltmarktpreise für Kohle liegen seit Jahrzehnten deutlich unter den Gestehungskosten des Ruhrbergbaus. Er konnte deshalb nur durch Subventionen aufrechterhalten werden. Durch die konsequente Weiterentwicklung von Technologien und Maschinen und den damit verbundenen Leistungssteigerungen und wirtschaftlichen Erfolgen ließen sich die Subventionen insbesondere auch aus sozialen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten (Beschäftigungseffekte, Versorgungssicherheit, Erhaltung von Know-how) politisch noch vertreten. Die Vorgabe weiterer politischer Ziele, wie die Reduktion von CO2-Emissionen, führten letztlich zur Einstellung des Steinkohlenbergbaus zum Jahresende 2018.

Mit Stilllegung des Bergbaus werden weiterhin Betriebs- und Sanierungskosten anfallen. In welchem Verhältnis diese zu den bis 2018 geförderten Werten stehen werden, kann heute noch nicht sicher abgeschätzt werden, obgleich nicht unerhebliche Beträge aus der RAG-Stiftung zur Verfügung stehen. Ab dem Jahr 2019 werden daraus jährlich geschätzte 220 Millionen € für wasserbezogene „Ewigkeitsaufgaben“ des dann stillgelegten Steinkohlenbergbaus in Nordrhein-Westfalen und im Saarland aufzuwenden sein, die sich auf die Grubenwasserhaltung, Grundwasserreinigung und Poldermaßnahmen beziehen. Die Kosten für die endlichen Folgen des Bergbaus, wie Bergschäden sind in diesen Beträgen noch nicht enthalten und müssen separat von der RAG finanziert werden [36].

4.2 Ausblick 

Die wirtschaftliche, aber auch politische, gesellschaftliche, wissenschaftliche und kulturelle Entwicklung Deutschlands basierte Jahrhunderte auf den überaus zahlreichen – in der Regel jedoch armen – Vorkommen von Metall-, Energie- und Industriemineralrohstoffen. Nur wenige hatten und haben internationale Bedeutung, etwa die von Braunkohle oder Kalisalzen. Die bedeutendste Lagerstätte sind die Steinkohlenvorkommen des Ruhrgebietes. Seit der ersten urkundlichen Erwähnung des Bergbaus vor über 700 Jahren im Jahr 1302 haben sie in der Geschichte Deutschlands häufig eine große Rolle gespielt, so beispielsweise bei der Industrialisierung oder in Kriegs- und Wiederaufbauzeiten [13].

In Zukunft wird Deutschland trotz ausreichender Vorkommen Steinkohle ausschließlich aus dem Ausland beziehen. Große, weniger tief liegende Lagerstätten liefern Kohle aus Tagebauen (z.B. USA, Indonesien, Südafrika, Kolumbien) oder Tiefbauen (z.B. Australien, Polen, Russland) zu deutlich niedrigeren Kosten. Deutschland ist dagegen politisch nicht mehr willens, die erforderlichen Subventionen für den heimischen Steinkohlenbergbau zu tragen. Ein zusätzlicher Aspekt ist die Klimapolitik, die das Ziel vorgibt, die CO2-Emissionen in Deutschland zukünftig weiter zu reduzieren. Im Jahr 2018 ist dieser Bergbau deshalb ausgelaufen. Als letzte Zeche schloss das Bergwerk Prosper-Haniel Ende 2018 in Bottrop. Inwiefern diese politischen Entscheidungen auch in Zukunft noch tragfähig sein werden, kann heute nicht abgeschätzt werden. Die reduzierte eigene Versorgung mit Energierohstoffen und chemischen Grundstoffen sowie eine andere Einschätzung der Klimarelevanz von CO2-Emissionen können zu anderen Entscheidungen und damit Entwicklungen führen.

So nüchtern diese Betrachtungen und relativierend diese Bewertungen auch sein mögen, sie werden natürlich der geschichtlichen, wissenschaftlichen, wirtschaftlichen und technischen Bedeutung dieser Lagerstätte nicht gerecht. In Abhängigkeit der internationalen politischen Lage kann der Ausblick für Deutschland beruhigend sein, ausreichende Reserven für einen wieder zukünftig notwendigen Bergbau im Ruhrgebiet auf energetische und chemische Rohstoffe zu besitzen. Voraussetzung ist jedoch die Weiter- und Neuentwicklung von Bergbau-, Gewinnungs- und Aufbereitungstechnologien und entsprechender Maschinen, die dem komplexen geologischen Aufbau der Lagerstätte angepasst sind.

5 Abschließende Anmerkung 

Als letzte Steinkohlenzeche des Ruhrgebietes förderte das Bergwerk Prosper-Haniel in Bottrop am 1. Oktober 2018 letztmalig Kohle. Unter großer Beteiligung der Bevölkerung und Repräsentanten der Bundesrepublik Deutschland wurde am 21. Dezember 2018 symbolisch durch den letzten befüllten Hunt der Steinkohlenbergbau in Deutschland eingestellt. Zuvor ist die Gewinnung unter Tage Ende September 2018 beendet worden. Ein Walzenschrämlader SL 750 der Firma Eickhoff mit einer Gesamtantriebsleistung von ca. 1900 kW und einem Walzendurchmesser von 2,3 m gewann im Baufeld Prosper Nord, Bauhöhe 124, Revier 008 aus dem Flöz Zollverein 1/2 Gasflammkohle, die für die Kokerei in Bottrop bestimmt war. Das Flöz in einer Teufe von etwa 1130 m (unter NN), entsprechend ca. 1235 m unter der Kirchheller Heide mit einer mittleren Mächtigkeit von 3,6 m war durch einen Streb von 380 m Länge aufgeschlossen. Zum Schutz des Strebes vor dem gewaltigen Druck des Deckgebirges waren neu entwickelte Gruppe-C-Schilde mit einem Verstellbereich von bis zu 5,2 m zum Einsatz gekommen. So endete vorerst der deutsche Steinkohlenbergbau. Glück auf!

Literatur/Literature:

Siehe Literaturverzeichnis in der Ausgabe
AT MINERAL PROCESSING 12/2018, S. 41.

See Literature in issue
AT MINERAL PROCESSING 12/2018, p.41.

1 Die Charakterisierung der Kohlen soll primär in dieser Abhandlung die Aspekte der industriellen Nutzung in der deutschen Industrie und weniger die geologischen und biologischen Gesichtspunkte der Genese der Kohle berücksichtigen.

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