Einfluss der Defektform auf das Kriechverhalten und die Schädigungsentwicklung von Kohlegestein mithilfe eines verbesserten Modells

Verborgene Schwachstellen im Untergrund

Tief unter der Erde verformt sich das Gestein um Tunnel und Kohlebergwerke unter enormem Druck allmählich. Kleine Fehler wie Hohlräume und Risse wirken zunächst unbedeutend, können sich jedoch über Jahre hinweg vergrößern und schwere Einstürze oder Versagensereignisse von Fahrwegen verursachen. Diese Studie untersucht, wie die einfache Form eines Lochs im kohleführenden Gestein das Kriechverhalten, die Rissentwicklung und das endgültige Versagen des Gesteins verändert – eine Frage von Bedeutung für die langfristige Sicherheit von Bergwerken, Lagerhöhlen und anderen unterirdischen Anlagen.

Warum die Form des Hohlraums wichtig ist

Ingenieure wissen seit langem, dass Defekte das Gestein schwächen, doch die meisten Untersuchungen betrachten Gestein entweder als makellos oder pauschal beschädigt. In Wirklichkeit enthält Kohle und das umgebende Gestein verschiedene Hohlräume, die durch natürliche Prozesse oder Bergbau entstehen – von scharfkantigen Schlitzen bis zu glatten, abgerundeten Öffnungen. Die Autoren erkannten, dass diese Formen Spannungen bündeln und das Risswachstum im Zeitverlauf sehr unterschiedlich lenken können, insbesondere unter der langsamen, konstanten Belastung, die als Kriechen bekannt ist. Um dieses Verhalten detailliert zu erfassen, kombinierten sie Laborbefunde mit fortgeschrittenen Computersimulationen, die nachverfolgen, wie winzige Bindungen zwischen Gesteinskörnern beim Verformen brechen und gleiten.

Aufbau eines besseren digitalen Gesteins

Anstatt das Gestein als homogenen Block zu modellieren, stellten die Forschenden Kohlegestein als Versammlung kleiner, miteinander verbundener Partikel dar. Sie verwendeten einen „Parallel-Bond“-Ansatz, um nachzuahmen, wie Körner Kräfte teilen und Biegung widerstehen, und kombinierten diesen mit einem Kelvin–Voigt-Viskoelastikmodell – im Wesentlichen Federn und Dämpfer, die zeitabhängige, kriechende Verformung repräsentieren. Diese Elemente wurden durch Versuch und Irrtum so angepasst, dass die simulierten Dehnungs‑Zeit‑Kurven den realen biaxialen Kriechversuchen an Kohleproben entsprachen. Nach der Kalibrierung konnte das Modell nicht nur die Verformung unter schrittweiser Belastung reproduzieren, sondern auch Zeit und Ort des Rissauftretens sowie das Zusammenwachsen zu größeren Brüchen vorhersagen.

Verschiedene Hohlräume im Test

Mit dem digitalen Material erzeugte das Team sechs virtuelle Kohleproben: eine intakte und fünf mit Hohlräumen gleicher Fläche, aber unterschiedlicher Form – rechteckig, trapezförmig, umgekehrt U‑förmig, quadratisch und kreisrund. Jede Probe war 50 mm breit und 100 mm hoch und wurde stufenweise bis zu 15 Megapascal belastet, während die Simulationen Spannung, Dehnung und die Anzahl entstehender Risse aufzeichneten. Alle Defekte schwächten das Gestein im Vergleich zum intakten Fall, jedoch nicht in gleichem Maß. Rechteckige Hohlräume führten zum stärksten Abfall der Versagensspannung, während quadratische Hohlräume die stärkste Verminderung der Bruchdehnung bewirkten. Umgekehrt U‑förmige Öffnungen reduzierten die effektive Steifigkeit beim Versagen am stärksten. Proben mit den breitesten Hohlräumen, wie rechteckige und umgekehrt U‑förmige, erwiesen sich als am kompressibelsten, was zeigt, dass bei Hohlräumen gleicher Fläche die Breite stark beeinflusst, wie leicht das Gestein zusammengedrückt und geschädigt wird.

Spannungsmuster und Rissverläufe

Die Simulationen zeigten außerdem, wie Spannungsfelder entstehen und Risse sich um die einzelnen Hohlraumtypen ausbreiten. Bei Proben mit rechteckigen, trapezförmigen, umgekehrt U‑förmigen und quadratischen Öffnungen begannen die hochbelasteten Zonen nicht an den Kanten der Hohlräume. Stattdessen traten sie zuerst im umgebenden Gestein auf und wuchsen dann zurück zum Hohlraum, bis sie sich mit ihm verbanden und komplexe laterale Bänder hoher Spannung bildeten. Risse begannen typischerweise in diesen äußeren Zonen, liefen zum Hohlraum, verlängerten sich zu den Probenbegrenzungen und wieder nach innen, wodurch gemischte Zug‑Schub‑Bruchnetzwerke entstanden. Im Gegensatz dazu erzeugte der kreisrunde Hohlraum ein symmetrisches Spannungsmuster, wobei sich hochbelastete Regionen direkt an gegenüberliegenden Seiten der Öffnung bildeten. Die Risse umschlangen dann gleichmäßiger den Hohlraum und führten zu einem globalen Schubband, das die gesamte Probe durchtrennte.

Was das für die Sicherheit im Untergrund bedeutet

Für Nicht‑Fachleute lautet die wichtigste Botschaft: Nicht alle Hohlräume im Gestein sind gleich. Selbst bei gleicher Größe konzentrieren Hohlräume mit scharfen Ecken und breiten, flachen Seiten – wie Rechtecke und umgekehrte U‑Formen – Spannungen so, dass frühes, lokalisiertes Schubversagen und hohe Kompressibilität gefördert werden. Glattere, runde Hohlräume verteilen die Spannung gleichmäßiger und neigen dazu, bei höheren Lasten in einem globaleren Schubmodus zu versagen. Indem die Studie zeigt, wie die Defektgeometrie Kriechfestigkeit, Steifigkeitsverlust und Rissentwicklung steuert, liefert sie praktische Hinweise für die Auslegung sichererer Kohlepfeiler, Fahrwege und anderer tiefliegender Stützstrukturen: Vermeiden Sie breite, scharfkantige Öffnungen und betrachten Sie vorhandene als Hochrisikozonen für langfristige Verformung und Versagen.

Zitation: Zhao, T., Cao, Y., Wang, T. et al. Influence of defect shape on the creep behavior and damage evolution of coal rock using an improved model. Sci Rep 16, 5781 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35589-0

Schlüsselwörter: Kohlegestein-Kriechen, Defektgeometrie, unterirdische Stabilität, Rissentwicklung, numerische Gesteinsmodellierung