Vergleichende Analyse und Validierung der Ausbruchzone von Gestein in Modellversuchen auf Basis mehrerer Prüfmethoden

Warum gerissenes Gestein unter Tage wichtig ist

Tief unter der Erde umgeben Felsmassen Tunnel und Stollen, wie sie in Kohlebergwerken vorkommen, und diese Gesteine können durch bodenbedingte Verschiebungen aufreißen und zerfallen. Dieser beschädigte Ring aus Gestein kann die Stabilität des Tunnels und die Sicherheit der dort arbeitenden Menschen gefährden. Die hier zusammengefasste Studie stellt eine praktische Frage: Wie können Ingenieure diese verborgene „Ausbruchzone“ im Modellversuch tatsächlich sichtbar machen und messen, damit sie sicherere Ausbaumaßnahmen für reale Bergwerke entwerfen können?

Mit mehreren Sinnen ins Gestein schauen

Die Forscher bauten große Labor‑Modelle, die auf einem realen Fahrweg des chinesischen Chengjiao‑Kohlenbergwerks basierten. In diesen Modellen schnitzten sie unterschiedliche Tunnelquerschnitte in Blöcke, die geschichtetes Untergestein nachbilden, und belasteten sie dann langsam mit Kräften, wie sie in großen Tiefen auftreten, bis die Tunnel versagten. Um zu beobachten, wie das umliegende Gestein reagierte, setzten sie vier verschiedene Überwachungsansätze ein: kleine Sensorblöcke, sogenannte Dehnungsziegel, um zu verfolgen, wie sich die Spannungen mit der Tiefe änderten; hochauflösende Digitalfotografie, um Oberflächenrisse und Verschiebungen zu dokumentieren; elektrische Messungen, um zu erkennen, wie Risse die Leitfähigkeit des Gesteins beeinflussen; und Ultraschallwellen, um Veränderungen der Gesteinsqualität zu erfassen. Parallel dazu führten sie Computersimulationen durch, die berechneten, wie sich Zonen verformenden und zerbrochenen Gesteins um die Tunnel ausdehnen sollten.

Was jede Methode sehen kann und was nicht

Jede Technik erwies sich als Blick auf einen anderen Ausschnitt des Problems. Dehnungsziegel wirkten wie vergrabene Fühler und zeigten, wo das Gestein in der Nähe des Tunnels seine Tragfähigkeit verloren hatte. Wenn die Spannungswerte in der Nähe der Öffnung plötzlich abflachten, konnten die Forscher daraus schließen, dass das Gestein dort gebrochen war, während tiefer liegende Bereiche noch bogen, aber noch nicht zerschlagen waren. Da jedoch nur wenige Ziegel eingebracht werden können, liefert diese Methode ein grobes Bild und kann Details darüber, wo und wie weit sich die Ausbruchzone ausbreitet, übersehen. Ultraschallmessungen, die die Laufgeschwindigkeit von Schallimpulsen im Gestein verfolgen, zeigten zuverlässig den Beginn von Schäden an, unterschätzten jedoch die tatsächliche Dicke der Ausbruchzone und hatten Schwierigkeiten, deren vollständige Entwicklung zu erfassen.

Fotos und elektrische Messungen legen den verborgenen Ring frei

Die informativsten Werkzeuge waren solche, die große Flächen zugleich abdecken konnten. Mit Digitalfotografie und einem spezialisierten Bildanalysetool wandelte das Team Zeitraffervideos der Modelloberfläche in farbige Karten um, die zeigten, wie stark sich verschiedene Bereiche des Gesteins bewegten und dehnten. Große Verschiebungen und deutliche Rissverläufe korrespondierten mit der entstehenden Ausbruchzone und zeigten, wo Dächer durchbuchten, Wände auswölbten und Sohlen aufwölbten. Parallel dazu maßen elektrische Verfahren, wie sich der Widerstand des Gesteins veränderte, wenn Risse aufgingen. Gerissene und stark beschädigte Bereiche leiteten elektrischen Strom deutlich schlechter, wodurch sich hochwiderständige Hüllen um den Tunnel bildeten. Aus diesen Widerstandskarten konnten die Forscher die Ausbruchzone, die umgebende plastische (Biege‑)Zone und das weiter außen noch intakte Gestein abgrenzen.

Abgleich des Labors mit Computermodellen

Um den Aussagen der Instrumente zu vertrauen, verglichen die Autoren ihre Messungen mit detaillierten numerischen Simulationen derselben Tunnellayouts. Die Simulationen zeigten, wie sich eine „plastische Zone“, in der das Gestein bukt und nachgibt, sowie eine innere Ausbruchzone mit zunehmender Belastung ausdehnen sollten. Durch die Analyse der Veränderungen in der Differenz zwischen dem größten und kleinsten Spannungswert im Modell konnten sie markieren, wo das Gestein zuerst zu verformen beginnt und wo es letztlich versagt. Diese simulierten plastischen und zerbrochenen Zonen stimmten gut mit den in den Fotos beobachteten Verschiebungsmustern und mit den hochwiderständigen Hüllen aus den elektrischen Messungen überein, während sie zugleich aufzeigten, wo Dehnungsziegel und Ultraschall Schäden verfehlten oder unterschätzten.

Folgen für sichere unterirdische Räume

Die wesentliche Schlussfolgerung für die Leserschaft ist, dass kein einzelner Sensor vollständig erfasst, wie das Gestein um einen Tunnel versagt, aber einige Werkzeuge deutlich leistungsfähiger sind. Die Studie empfiehlt, Digitalfotografie mit elektrischen Messungen in Modellversuchen zu kombinieren, um Größe und Gestalt der Ausbruchzone deutlich zuverlässiger zu kartieren. Diese reichhaltigeren Darstellungen darüber, wo Gestein tatsächlich bricht und wo es nur bengt, können in bessere Auslegungen für reale Tunnel und Bergwerke zurückfließen und Ingenieuren helfen, Dachstürze, Wandabbrüche und Sohlaufwölbungen frühzeitig zu erkennen und zu verhindern.

Zitation: Liu, G., Liu, Z., Luan, Y. et al. Comparative analysis and verification on broken rock zone of model test based on multiple testing methods. Sci Rep 16, 5088 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35290-2

Schlüsselwörter: Stabilität von unterirdischen Tunnelanlagen, Ausbruchzone von Gestein, Überwachung von Felsmassen, Stollen in Kohlebergwerken, numerische Simulation