Ein Kohlebrand ist ein Erdbrand, der sich in einem Kohleflöz oder in umgelagerter Kohle entwickelt hat. Er entsteht oft spontan durch Selbstentzündung. Voraussetzung ist, dass die Kohle mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Bei Kohleflözbränden kann dies auf natürlichem Wege geschehen, wenn das Flöz durch Gebirgsbildung und Erosion an die Erdoberfläche tritt. Auch werden solche Brände durch den Untertagebau verursacht, wenn Luft durch Bewetterung (Frischluftversorgung) an die Flöze gelangt. Häufig entstehen die Brände unter Tage in einem Alten Mann (verlassenen Hohlraum), in dem sich noch Restkohle befindet.
Kohlebrände können ebenfalls nach der Umlagerung der Kohle entstehen. Bekannt sind hier brennende Halden – Brände in Kohle- und Kokshalden, Brände in Abraumhalden, die noch genügend Restkohle, vor allem an vereinzelten Stellen mit erhöhter Konzentration enthalten – und Brände während des Transports von Kohle in Schiffen und in Eisenbahnwagen.
Solange die Reaktionstemperaturen im Bereich von ca. 150 bis 500 °C liegen, spricht man von unvollständiger Verbrennung oder Schwelbrand. Diese Art der Verbrennung tritt bei Sauerstoffmangel auf. Oberhalb von 500 °C geht der Brand bei ausreichender Sauerstoffzufuhr in einen Glimmbrand (bis ca. 1000 °C) oder einen Flammbrand (bis 1200 °C) über, es erfolgt eine vollständige Verbrennung.
Kohleflözbrände können unterteilt werden in oberflächennahe Brände in ausstreichenden, also an der Oberfläche zu Tage tretenden Flözen, wo der Sauerstoff aus der Luft stammt, und in Brände in Bergwerken in größerer Tiefe. Dort stammt der Sauerstoff aus der Bewetterung.
Ursache spontaner Kohlebrände ist die Entzündlichkeit der Kohle. Bei einem Kohlebrand reagiert der Sauerstoff mit den Feststoffmolekülen des Brennstoffs. Diese exothermen Reaktionen finden bei allen Temperaturen statt. Die Geschwindigkeit ist jedoch stark temperaturabhängig, so steigt die Reaktionsrate mit zunehmender Temperatur annähernd exponentiell an. Wenn ein Brennstoff in zerkleinerter Form vorliegt, etwa als Feststoffschüttung, oder wenn der Feststoff porös ist, ist im gesamten System Sauerstoff vorhanden.
Eine unterkritische Lagerung erfolgt, wenn die im Schüttungsinneren freigesetzte Wärmeenergie kleiner ist als die Wärmeenergie, die durch Wärmeleitung an den Rand der Schüttung transportiert und über die Schüttungsoberfläche an die Umgebung abgegeben werden kann. Wird jedoch im Inneren der Feststoffschüttung mehr Wärmeenergie freigesetzt, als nach außen abgeführt werden kann, geht das System in einen kritischen Zustand über. Die Temperatur im Inneren steigt an, führt damit zu einer weiteren Erhöhung der Reaktionsrate und in der Folge zur Selbstentzündung.
Zwei wesentliche Faktoren entscheiden, ob eine Selbstentzündung erfolgt oder nicht, die Umgebungstemperatur und die Schüttungsgröße:
Je höher die Umgebungstemperatur ist, desto schneller laufen die Oxidationsreaktionen ab und desto größer ist die Wärmefreisetzungsrate im Schüttungsinnern.
Je größer die Schüttung ist, desto schlechter kann die im Inneren entstehende Wärme nach außen abgeführt werden, das heißt, umso schneller entsteht ein Selbstentzündungsbrand. Die schlechte Wärmeabfuhr liegt daran, dass die porösen oder zerkleinerten Stoffe meist eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen; sie wirken dämmend.
Die meistgenannte Kenngröße für den Start dieses Prozesses ist die Selbstentzündungstemperatur (SET). Sie ist keine „Stoffkonstante“, sondern immer abhängig von der Schüttungsgröße und -geometrie, insbesondere dem Verhältnis von Volumen zu Oberfläche und nimmt mit steigendem Schüttungsvolumen ab.
Natürlich ist die Selbstentzündungstemperatur auch von den Eigenschaften des jeweiligen Brennstoffes abhängig. Dazu zählen unter anderem der Brennwert, die Wärmeleitfähigkeit und die Korngröße. Ihre Angabe ist daher etwas heikel, da man immer die genauen Untersuchungsbedingungen angeben muss. Bei gleichen Bedingungen wird die Selbstentzündungstemperatur für Steinkohle höher liegen als die für Braunkohle.
Im Gegensatz zu einer „fassbaren“ Zündquelle, wie einer offenen Flamme oder einer heißen Oberfläche, läuft der Prozess der Selbstentzündung ohne fremde Einwirkung ab. Ist eine Schüttung hinreichend groß, kann dieser Prozess auch schon bei Temperaturen ablaufen, die im Bereich der Jahres-Mitteltemperatur eines Ortes liegen. Dies war zum Beispiel bei der sogenannten Senatsreserve in Berlin der Fall. Die dort auf Vorrat gehaltene Kohle war zum Teil überkritisch und entzündete sich demnach selbst. Dabei ist zu bemerken, dass die Induktionszeiten, also die Zeiten vom Beginn einer Lagerung bis zur Entzündung, umso kürzer werden, je größer die Schüttung und damit umso kleiner die Selbstentzündungstemperatur ist. Im Fall der Senatsreserve betrug die Induktionszeit mehrere Jahre.
Braunkohle kann schon bei Temperaturen von ca. 40 °C bis 60 °C spontan zu brennen beginnen, während dies bei der höchstwertigen Anthrazitkohle erst ab 140 °C möglich ist. Der Brand entsteht meist einige Dezimeter innerhalb der Kohle, in einer Tiefe, in der einerseits die Permeabilität der Kohle den Zutritt von Luft noch zulässt, andererseits die Durchlüftung die entstehende Wärme nicht größtenteils abführt. Die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Kohle lässt eine Wärmeableitung ohne Fluidzirkulation nicht zu.
Faktoren, die die spontane Entzündung beeinflussen, sind unter anderem:
Kohlequalität und Kohleart (Kohlegehalt, Anteil flüchtiger Bestandteile, Inkohlungsgrad)
Partikelgröße (bei kleinerer Körnung ist die Oberfläche und damit die Gefahr der Selbst- und Fremdentzündbarkeit größer)
Geologische und geomorphologische Bedingungen
Einflüsse des Bergbaus (Offene Gruben, Risse, Bergsenkungen)