Mechanismus der umgekehrten Verformungszunahme der unberührten Kohlenrippe im Vergleich zur Pfeilerrippe des gob-seitigen Streborts in einer außerordentlich dicken Kohleflöz

Warum unterirdische Stollen plötzlich zusammenschnüren können

Während Kohlebergwerke tiefer abbauen und dickere Flöze anstreben, führen Ingenieure lange Stollen entlang großer Hohlräume, die nach dem Abbau zurückbleiben. Diese Gänge müssen für Luft, Personen und Maschinen offen bleiben, liegen jedoch in Gestein unter enormem Druck. Diese Studie untersucht ein rätselhaftes und gefährliches Verhalten, das in einem chinesischen Bergwerk beobachtet wurde: Statt dass die Wand zum ausgegrabenen Hohlraum hin am stärksten versagt, verformte sich die scheinbar stärkere "unberührte" Kohlenwand auf der anderen Seite deutlich stärker. Zu verstehen, warum das passiert, ist entscheidend für sichereren und effizienteren untertägigen Abbau.

Eine neue Art des Stollenanschmiegens

In modernen chinesischen Kohlebergwerken werden außerordentlich dicke Flöze über 15 Meter häufig im vollmechanisierten Aufschlagabbau (Top-Coal Caving) gewonnen. Nachdem ein Flözpanel abgebaut ist, stürzt das darüberliegende Gestein in den freigewordenen Raum und bildet eine Schutthalde, das sogenannte Gob-Gangue. Neue Stollen, sogenannte gob-seitige Streborte, werden dann dicht an dieses Gob herangefahren, wobei nur eine schmale Kohlesäule als Puffer verbleibt. Üblicherweise erwarten Ingenieure, dass die Stollenwand zum Gob hin (die Pfeilerrippe) stärker verformt als die Wand zur ungestörten Kohle (die unberührte Kohlenrippe). Bei Messungen in Panel 8211 eines 15,1‑Meter-Flözes zeigte sich jedoch das Gegenteil: Nach etwa 50 Tagen begann sich die Wand in der unberührten Kohle mehr nach innen zu bewegen als die Pfeilerrippe — ein Muster, das die Autoren als „umgekehrte Verformungszunahme“ (Reverse Deformation Increase, RDI) bezeichnen.

Das langsame Versagen des Gesteins beobachten

Das Team dokumentierte zunächst, was unter Tage geschah. Sie maßen die Konvergenz beider Stollenwände über die Zeit, untersuchten Schäden an Ankern, Kabeln und Tragwerken und nutzten Kameras in Bohrlöchern, um die Tiefe der Zersplitterung der Kohle zu bestimmen. Beide Seiten zeigten erhebliche Schäden, doch die gesamte 8‑Meter-Kohlesäule war durchgerissen, während die unberührte Kohle eine stark gebrochene Außenzone von etwa 4,3 Metern und einen stärkeren inneren Kern aufwies. Spannungsmesser zeigten, dass der zentrale Teil der Säule nur geringe Lasten trug, was auf eine starke Schwächung hindeutete, während die tieferliegenden unberührten Kohleschichten noch Spannungen nahe dem ursprünglichen In-situ-Druck führten. Diese Kombination — stark beschädigtes oberflächennahes Gestein auf beiden Seiten bei noch intakter tieferer unberührter Kohle — schuf die Voraussetzungen für unerwartete Bewegungen.

Numerische Experimente an einem unterirdischen Rätsel

Um den Mechanismus zu entwirren, erstellten die Forscher ein detailliertes 3D‑Numerikmodell des Bergwerks mit realistischen Gesteinseigenschaften und Bergbauschritten. Sie variierten drei Hauptfaktoren: wie stark der eingestürzte Gangue im Gob seitlich auf die Kohlesäule drückte (Kontakt- bzw. Stützhöhe), wie breit die Kohlesäule war und wann der Stollen im Verhältnis zum Abbau darüber aufgefahren wurde. Die Simulationen zeigten, dass RDI nur dann auftritt, wenn der Gangue hoch genug ist — sein Kontakt mit der Säule muss mehr als 20 Meter ansteigen. Ab diesem Punkt wirkt das gebrochene Material im Gob wie eine steife Seitenstütze, die die Kohlesäule abstützt, sodass sie sich weniger zur Stollenöffnung hin verformt. Gleichzeitig biegen sich die noch intakten überlagerten Gesteinsschichten nach unten zur Stollenöffnung und üben den stärksten Druck auf die unberührte Kohlenwand aus. Das Ergebnis sind höhere horizontale und vertikale Spannungen in der unberührten Kohlenrippe, die sich dann stärker in den Stollen hineinquetscht als die Pfeilerrippe.

Welche Rolle Pfeilergröße und Timing wirklich spielen

Die Breite der Kohlesäule und der Zeitpunkt der Stollenauffahrung beeinflussten, wie stark RDI ausfällt, aber nicht, ob es überhaupt auftreten kann. Wenn die Gob-Stützhöhe groß ist, wird eine schmale Säule (z. B. 5–8 Meter) leicht von der Gob-Seite abgestützt und zeigt relativ geringe Inbewegung, während die unberührte Kohlenwand deutlich größere Verformungen erfährt. Mit zunehmender Säulenbreite (etwa ab 30 Metern) gleichen sich Spannungen und Schäden auf beiden Seiten an und die beiden Wände bewegen sich in ähnlichem Ausmaß. Auch das Timing ist wichtig: Wird der Stollen kurz nachdem das obere Panel abgebaut wurde aufgefahren — also während sich das überlagerte Gestein noch setzt —, neigt die Säule dazu, sich zur Gob-Seite zu bewegen, was ihre Inbewegung in den Stollen weiter reduziert und RDI verstärkt. Sobald die Deckschichten stabilisiert sind, schwächt sich RDI ab, verschwindet aber nicht, solange die Gob-Stützhöhe groß bleibt.

Wie Ingenieure den Stollen offen halten können

Auf Grundlage dieser Erkenntnisse testeten die Autoren mehrere Verstärkungsmaßnahmen im Modell und anschließend unter Tage. Allein zusätzliche kurze Anker konnten die stärkere Verformung der unberührten Kohlenwand nicht verhindern. Die effektivste Strategie bestand darin, beide Wände mit längeren Bolzen sowie hoch belastbaren Seilen zu verstärken, sodass die beschädigte äußere Kohle sich in tieferes, stärkeres Gestein „verriegeln“ konnte. Dadurch wurde die Last gleichmäßiger zwischen Pfeilerrippe und unberührter Kohle verteilt. Feldmessungen nach Einbau dieser kombinierten Sicherung zeigten, dass sich die Stollenverformung innerhalb von etwa einem Monat stabilisierte und beide Wände am Ende ähnliche, deutlich kleinere Inbewegungen aufwiesen — damit wurden Sicherheits‑ und Betriebsanforderungen erfüllt.

Was das für den tiefen Kohleabbau bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: In sehr dicken, tief liegenden Kohleflözen kann die Stollenwand, die auf dem Papier sicherer erscheint, tatsächlich als erste versagen. Der Schutt im ausgefaulten Gob kann, statt ein passives Nebenprodukt zu sein, die Kohlesäule so weit abstützen, dass die unversehrte Kohlenseite unter einem durchhängenden Gesteinsdach zur Schwachstelle wird. Indem die Studie die Gob-Stützhöhe als Auslöser identifiziert und zeigt, wie Säulenbreite, Timing und Verstärkung zusammenspielen, liefert sie eine klarere Grundlage zur Auslegung von Sicherungen, die wichtige unterirdische Verkehrswege offen halten und Bergleute schützen.

Zitation: He, W., Chen, D. & Zhu, H. Mechanism of reverse deformation increase in the virgin coal rib compared to the pillar rib of the gob-side entry in an extra-thick coal seam. Sci Rep 16, 5724 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35947-y

Schlüsselwörter: untertägiger Kohlebergbau, Gesteinsverformung, Bodensicherung, Kohlesäulen-Design, gob-seitiger Strebort