Experimentelle Studie zum Verbreitungsmechanismus von Verpressmörtel in klüftigem Gestein

Unterirdische Hohlräume sicher halten

Tiefe unterirdische Räume – etwa solche, in denen Pumpen in Kohlebergwerken untergebracht sind – müssen dem hohen Druck des umgebenden Gebirges standhalten. Wenn das Gestein zu reißen und zu verschieben beginnt, können Wände um mehrere zehn Zentimeter vorwölben, was Geräte, Personal und das gesamte Bauvorhaben gefährdet. Diese Studie untersucht, wie man gebrochenes Gestein besser mit zementgebundenem Mörtel „verkleben“ kann, damit lange unterirdische Kammern über viele Jahre hinweg stabil und sicher bleiben.

Ein Pumpenraum unter Extrembelastung

Die Forschenden konzentrierten sich auf eine große Pumpkammer der chinesischen Wanfu-Kohlenmine, mehr als 800 Meter unter der Erdoberfläche. Trotz einer umfangreichen Unterstützung aus Stahlankern, Kabeln und Betonauskleidung verformten sich Wände und Decke weiterhin. Über 450 Tage Überwachung bewegte sich die rechte Wand um bis zu 751 Millimeter nach innen – fast so viel wie die Breite einer Haustür – und der Boden hob sich um mehr als 30 Zentimeter. In das umgebende Gestein gebohrte Bohrlöcher zeigten eine stark zerrissene „stark geschädigte“ Zone bis zu 7 Meter Tiefe, eine mittlere Übergangszone und dann intaktes Gestein. Die vorhandenen Bolzen und Kabel waren größtenteils im zersetzten Bereich verankert und konnten daher ihre volle Tragfähigkeit nicht entfalten.

Wie sich Mörtel durch gebrochenes Gestein ausbreitet

Um zu verstehen, wie man solch geschädigtes Gestein wieder stärken kann, baute das Team einen großen Laboraufbau, der künstliche, klüftige Gesteinsblöcke von 1,2 Metern Länge aufnehmen konnte. Sie pumpten Zementmörtel in diese Blöcke und schnitten sie anschließend in Segmente, um zu prüfen, wie stark jeder Abschnitt in Abhängigkeit vom Abstand zur Einspeisestelle wurde. Zwei alltagsnahe Variablen wurden untersucht: die Größe der Gesteinsfragmente und wie dünnflüssig der Mörtel war (sein Wasser-Zement-Verhältnis). In allen Fällen nahm die Druckfestigkeit – also die Belastbarkeit durch Druck – ab, je weiter sich der Mörtel vom Einstichpunkt aus ausbreitete.

Drei Festigkeitszonen um eine Verankerung

Die Festigkeitsprüfungen zeigten drei klar unterscheidbare Zonen um den vergossenen Bereich. Direkt am Einspeisepunkt lag eine „initiale Abnahmezone“ bis etwa 400 Millimeter mit hoher Festigkeit, die schnell nachließ. Von ungefähr 400 bis 1000 Millimeter folgte eine „stufenweise Abnahmezone“, in der die Festigkeit langsamer sank. Darüber hinaus lag eine „Randzone“, in der Qualität und Festigkeit erneut abnahmen. Dieses Muster spiegelt wider, wie Mörtel fließt und sich setzt: nahe der Einspeisung ist er dicht und gut verpackt; weiter außen bewegt er sich langsamer, separiert etwas unter der Schwerkraft und schließt mehr Hohlräume ein, sodass das Material am äußeren Rand schwächer bleibt.

Warum die Korngröße wichtiger ist als die Dünnflüssigkeit

Die Änderung der Größe der gebrochenen Gesteinsstücke erwies sich als wichtiger als die Veränderung der Dünnflüssigkeit des Mörtels. Größere Fragmente schufen weitere Hohlräume, die dem Mörtel erlaubten, weiter zu wandern; die effektive Diffusionsdistanz verlängerte sich von 800 Millimetern bei kleinen Stücken auf 1000 Millimeter bei den größten. Sehr große Fragmente brachten jedoch auch mehr schwache Grenzflächen ein, an denen Risse entstehen konnten. Die Anpassung des Wasser‑Zement‑Verhältnisses hatte einen moderateren Einfluss auf die Reichweite des Mörtels – die Diffusionsdistanz blieb nahe 1 Meter – beeinflusste jedoch stark die Gesamtfestigkeit und Gleichmäßigkeit. Eine mittlere Mischung (Wasser‑Zement‑Verhältnis 0,5) lieferte einen guten Kompromiss: starkes, relativ gleichmäßiges Material ohne zu viele Lufteinschlüsse.

Von Labortests zur Sicherheit im realen Bergwerk

Mit diesen Erkenntnissen überarbeiteten die Ingenieure die Stützung der Pumpkammer. Sie fügten verpresste Bolzen in versetztem Muster hinzu und stellten sicher, dass Bolzen- und Kabellängen mindestens 1 Meter über die stark geschädigte Zone hinaus in das feste Gestein reichten. Außerdem übernahmen sie das empfohlene Wasser‑Zement‑Verhältnis von 0,5 für die Feldverpressung. Nach sechs Monaten neuer Überwachung sanken die Verformungen der rechten Wand von über 750 Millimeter auf knapp unter 40 Millimeter – eine Reduktion um rund 95 Prozent. Einfach ausgedrückt verwandelte sorgfältig geplanter Mörtelauftrag einen stark verformenden unterirdischen Raum in einen stabilen Bereich und zeigt, wie das Verständnis der Mörtelausbreitung und der Gesteinszersetzung direkt in sicherere, zuverlässigere untertägige Ingenieurmaßnahmen übersetzt werden kann.

Zitation: Zhang, C., Li, D., Zhang, X. et al. Experimental study on grouting diffusion mechanism of fractured rock. Sci Rep 16, 5226 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35539-w

Schlüsselwörter: Untertagegesteinsunterstützung, Verpressung, klüftiges Gestein, Bergbautechnik, Gesteinsstabilität