Mechanismus und Anwendung der Erweiterungsverankerung eines umgekehrten keilförmigen Bohrlochbodens in argillösem zementiertem Streckenbau

Fragile Bergwerksstollen in Position halten

Tief unter Tage verlaufen viele Kohlebergwerksstollen durch weiches, tonreiches Gestein, das mit der Zeit aufquillt, kriecht und bröckelt. Herkömmliche Stahlträger und selbst moderne Felsanker verlieren häufig ihren Halt, wenn sich dieses schwache Gestein verformt, wodurch das Risiko von Einstürzen und teuren Reparaturen steigt. Diese Studie untersucht eine neue Methode, um Verankerungsbolzen sicherer zu fixieren, indem das Ende des Bohrlochs umgestaltet wird, sodass Harz und Gestein sich buchstäblich wie ein Keil miteinander verkeilen und die Stollen länger sicherer und stabiler bleiben.

Warum Weichgesteinsstollen so schwer zu halten sind

Viele chinesische Kohlefahrten verlaufen durch argillöses, also ton-zementiertes Gestein, das Minerale enthält, die bei Feuchtigkeit an Festigkeit verlieren. Diese Gesteine sind schlecht verfestigt, wenig belastbar und neigen dazu, bei Wasserkontakt anzuschwellen und schmierig zu werden. Unter dem ständigen Druck des Bergbaus kriechen und verformen sich Wände und Dach der Strecke. Stahlrahmen, die zunächst effektiv erscheinen, können schließlich in den weichen, hochgehenden Boden eindringen, während das Dach nachgibt und Risse bildet. Felsanker sollen die schwachen Gesteinsschichten zusammenbinden. In diesem Umfeld trennt sich jedoch das Harz, das die Bolzen am Lochrand verklebt, häufig vom Gestein — besonders bei Vibrationen und Feuchtigkeit — wodurch die Verankerungskraft schnell nachlässt.

Das Lochende keilförmig ausbilden

Die Forschenden konzentrierten sich auf eine einfache, aber wirkungsvolle Idee: Statt den Bohrlochboden zylindrisch zu belassen, weiten sie ihn mit einem speziellen Aufweitwerkzeug zu einer umgekehrten Keilform. Der Bolzen wird dann mit Harz in dieser aufgeweiteten Kavität verankert. Effektiv stützt sich der Bolzen nicht mehr nur auf Klebehaftung an einer glatten Wand, sondern ist mechanisch in einer breiteren Gesteinspocket verriegelt. Das Team entwickelte ein mechanisches Modell, das den Bolzen in drei Zonen entlang seiner Länge unterteilt: einen freien Abschnitt nahe dem Stolleneingang, einen normalen Verankerungsabschnitt und den aufgeweiteten Verankerungsabschnitt am Ende. Mittels Gebirgsmechanik-Gleichungen zeigten sie, dass diese keilförmige Tasche die Scher- und Klemmkräfte an der Grenzfläche zwischen Harz und Gestein deutlich erhöht und den axiale Widerstand des Bolzens stärkt, selbst wenn an anderer Stelle bereits seitliches Gleiten beginnt.

Von Gleichungen zu Labormodellen und Zugversuchen

Um das Konzept zu prüfen, fertigte das Team maßstabsgetreue Wandmodelle aus Materialien an, die schwaches, niederfestes Weichgestein nachbilden. Sie bohrten Bolzenlöcher in PVC-Rohre und weiteten den Lochboden manuell zu umgekehrten Keilen mit unterschiedlichen Längen, Durchmessern und Winkeln. Mit einem üblichen Bergbauharz (K2335) untersuchten sie zunächst, wie gut sich das Harz in diesen aufgeweiteten Kavitäten mischte und aushärtete. War der Keil zu groß oder zu lang, blieben Harzpartien schlecht gemischt und ungehärtet. Sie definierten ein „Verfestigungsverhältnis“, um zu quantifizieren, welcher Anteil des Harzes vollständig ausgehärtet war. Die beste Kombination zeigte sich bei einer Aufweitlänge von 100 mm, einem maximalen Durchmesser von 58 mm und einem Keilwinkel von 9°, was eine Verfestigungsrate von 92,9 % ergab — die Kavität war damit dicht und gleichmäßig gefüllt.

Stärkerer Halt vor und nach Versagen

Als Nächstes führten die Forschenden Zug-aus-dem-Loch-Versuche im Labor durch und verglichen normale Bolzen mit solchen, die in den keilförmigen Kavitäten verankert waren, wobei die Gesamtlänge der Verankerung jeweils gleich blieb. In beiden Fällen stieg die Zugkraft mit der Verschiebung bis zu einem Maximum an und fiel dann ab, als das Gleiten zwischen Harz und Gestein einsetzte. Bei normalen Bolzen war der Abfall steil und die verbleibende Kraft gering, hauptsächlich verursacht durch schwache Reibung. Im Gegensatz dazu trugen Bolzen in der umgekehrten Keilkavität auch nach Beginn des Gleitens noch hohe Restkräfte, weil die aufgeweitete Form ein vollständiges Herausziehen mechanisch blockierte. Numerische Simulationen bestätigten dies: Unter gleicher Last von 160 kN erhöhte sich die durchschnittliche Schubspannung entlang der Verankerungszone durch das Keildesign um etwa 47 %, und die Spannungen konzentrierten sich vorteilhaft nahe dem aufgeweiteten Abschnitt statt nur am Lochboden.

Die Idee in einem echten Bergwerk beweisen

Das Team wandte die Methode anschließend in einer weichgesteinsführenden Strecke eines Kohlebergwerks in der Provinz Shanxi an. Sie bohrten und weiteten die Lochböden mit einem selbst entwickelten Einflüglerwerkzeug, schoben die Harzkartuschen in die aufgeweiteten Taschen und mischten sie mit dem Bolzen, bis das Harz sowohl gebrochene als auch intakte Gesteinsbereiche füllte und fasste. Die Überwachung von drei Dachankern zeigte, dass ihre Axialkräfte mit der Verformung des umgebenden Gesteins zunahmen und dann auf hohem Niveau stabil blieben, ohne den raschen Kraftverlust, der bei konventionellen Verankerungen oft beobachtet wird. Messungen der Dachsetzung bestätigten, dass Strecken, die mit den aufgeweiteten Keilbolzen gesichert wurden, deutlich geringere Setzungen aufwiesen als mit Standardbolzen — ein Hinweis auf eine sicherere und stabilere Fahrtroute.

Was das für die Grubensicherheit bedeutet

Für den Laien ist die Quintessenz: Die Umgestaltung des versteckten Endes eines Bolzenlochs kann einen großen Unterschied für die Stollensicherheit machen. Durch das Ausbilden einer kleinen, keilförmigen Tasche im Gestein und deren Füllung mit Harz und Stahl schaffen Ingenieure eine Art Untertage-Verankerungskopf, der schwerer herauszuziehen ist und weniger dazu neigt, mit der Zeit an Wirksamkeit zu verlieren. Die Studie zeigt, dass dieses Design bei sorgfältig gewählten Abmessungen nicht nur die Anfangshaltekraft erhöht, sondern auch nach beginnendem Gleiten einen großen Teil dieser Kraft beibehält. Für Kohlebergwerke, die durch brüchiges, wasserempfindliches Gestein treiben, könnte eine solche verbesserte Verankerung Einstürze reduzieren, Wartungskosten senken und die Arbeitssicherheit unter Tage erhöhen.

Zitation: Zhang, H., Li, G., Xu, Y. et al. Mechanism and application of reaming anchorage of inverted wedge-shaped hole bottom in argillaceous cemented roadway. Sci Rep 16, 5094 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35906-7

Schlüsselwörter: Weichgesteins-Strecke, Felsanker-Verankerung, Kohlebergwerks-Stollen, aufgeweitetes Bolzenloch, Gebirgsicherung