Studie zum Gesetz der Rissausbreitung in den Deckenschichten beim Abbau kleiner Kohlesäulen in geneigter extra-dicker Kohleflöz

Warum Risse über Bergwerken wichtig sind

Der moderne Kohlebergbau fördert nicht nur Kohle zu Tage, er verändert auch das darüberliegende Gestein und die Wege, auf denen sich unterirdisches Gas bewegt. In der westchinesischen Region Xinjiang sind die Flöze ungewöhnlich dick und steil geneigt, und oft bleibt nur eine schmale Kohlesäule zur Unterstützung der Decke stehen. Diese Studie stellt eine praktische Frage mit großen Sicherheitsfolgen: Wie bilden sich die Risse im Gestein über solchen Betriebsräumen genau, wie breiten sie sich aus, und wie kann dieses Wissen genutzt werden, um Gaskonzentrationen zu kontrollieren und den Betrieb sicherer zu machen?

Die Herausforderung geneigter, extra-dicker Kohleflöze

Die meisten früheren Untersuchungen zu Gesteinsrissen über Bergwerken befassten sich mit nahezu flachen Flözen. In Xinjiang sind die Hauptkohleschichten jedoch sowohl sehr dick als auch deutlich geneigt. Wenn Bergleute Kohle abbauen und eine kleine Säule belassen, werden die darüberliegenden Gesteinsschichten auf komplexe Weise gestört. Risse öffnen und schließen sich im Zeitverlauf und schaffen verschlungene Wege, durch die Gas entweichen oder sich ansammeln kann. Können Ingenieure nicht vorhersagen, wo diese hochpermeablen Zonen entstehen, können Gasabsaugbohrungen ihr Ziel verfehlen und gefährliche Gasansammlungen über aktiven Abbaubereichen bleiben bestehen.

Das Bergwerk im Labor und im Computer nachgebaut

Die Forschenden kombinierten skalierte physische Modelle mit fortgeschrittenen Computersimulationen, um ein reales Abbaufeld — die 11.002-Sohle im Tengda-Kohlenbergwerk — nachzuahmen. Im Labor bauten sie ein zweidimensionales Modell des geneigten Flözes und der darüberliegenden Gesteinsschichten im Maßstab 1:200. Sie bauten dieses Modell schrittweise von einer Seite zur anderen ab und fügten Holzblöcke hinzu oder entfernten sie wieder, um die unter Tage verwendeten beweglichen Stützen zu simulieren. Zeitgleich führten sie dreidimensionale numerische Simulationen mit der Software 3DEC durch, die den Gesteinskörper als viele interagierende Blöcke behandelt und verfolgt, wie sich Spannungen und Risse während des Abbaus entwickeln.

Wie das Gesteinsdach bricht und reißt

Beide Methoden ergaben, dass das Dach nicht einfach auf einmal einstürzt. Stattdessen durchläuft das darüberliegende Gestein ein dreistufiges Muster: Zunächst entstehen kleine Risse, dann trennen sich Lagen, und schließlich bilden sich große, sichtbare Brüche. Mit fortschreitendem Abbau stürzt das unterste Gestein in eine mit Schutt gefüllte Ausbruchzone ein, während höhere Lagen hohe Bruchzonen entwickeln, in denen Blöcke zerbrochen sind, aber nicht vollständig abgefallen. Im Fall Tengda stabilisiert sich die Ausbruchzone etwa 25 Meter über dem Flöz, die Bruchzone reicht auf etwa 80 Meter. Aufgrund der Neigung des Flözes neigen zerbrochene Blöcke zum Hangabgleiten, wodurch das Einsturmuster deutlich asymmetrisch wird: die Talseite des Abbaubereichs ist dichter gepackt, während sich über der kleinen Kohlesäule ein keilförmiger, relativ ungestörter Bereich ausbildet.

Vermessung und Kombination unterschiedlicher Sichtweisen

Um die Höhen der Ausbruch- und Bruchzonen zuverlässiger zu bestimmen, verglich das Team drei Abschätzungen: einfache ingenieurtechnische Formeln, das physische Modell und die numerische Simulation. Jede Methode liefert leicht abweichende Werte, daher verwendeten die Autorinnen und Autoren ein gewichtetes Mittel, das Methoden mit kleineren Fehlern über alle Resultate stärker berücksichtigt. Da das physische Modell den realen Abbauprozess am getreuesten reproduzierte, erhielt es das höchste Gewicht. Das endgültige kombinierte Ergebnis ergab eine Ausbruchzonenhöhe von etwa 24,98 Metern und eine Bruchzonenhöhe von 81,67 Metern. Außerdem zeigten sie, dass sich Spannungen stark um die kleine Kohlesäule konzentrieren und dass die Geschwindigkeit von Gesteinsbewegung und Rissbildung mit zunehmender Entfernung nach oben vom Flöz abnimmt.

Risse nutzen, um die Gassteuerung sicherer zu machen

Mit einem klareren Bild davon, wo die gebrochenen und hochpermeablen Gesteinsschichten über dem ausgebeuteten Bereich liegen, entwarf das Team ein zielgerichtetes Gasabsaugsystem für die 11.002-Sohle. Sie legten Reihen von hoch positionierten Bohrlöchern und Absaugleitungen so an, dass sie die vorhergesagten hochpermeablen Bruchzonen durchschneiden. Feldmessungen über mehrere Monate zeigten, dass das Gas effizient abgesaugt wurde und die Gaskonzentrationen in wichtigen Wettern deutlich unter der Sicherheitsgrenze von 1 % blieben, obwohl Hunderttausende Tonnen Kohle gefördert wurden. Kurz gesagt zeigt die Arbeit, dass Ingenieure durch sorgfältiges Mapping der Dachbrüche über einem geneigten, extra-dicken Flöz mit kleinen Kohlesäulen Gasabsaugsysteme dort platzieren können, wo sie am effektivsten wirken — wodurch Unfallrisiken reduziert und sichererer, effizienterer Kohlebergbau unterstützt werden.

Zitation: Lu, W., Zhao, P., Jin, Q. et al. Study on crack propagation law of overlying strata in the process of small coal pillar mining in inclined extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 8536 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-32844-8

Schlüsselwörter: Kohlebergbau, Gesteinsrisse, Gasabsaugung, numerische Simulation, Bergwerksicherheit