Einfluss des Manteldrucks und der Spannungsamplitude auf die mechanischen Eigenschaften und die Durchlässigkeitscharakteristik von Kohle

Warum das verborgene Leben von Kohleflözen wichtig ist

Tief unter unseren Füßen tragen Kohleflöze das Gewicht der Erde und müssen zugleich die Erschütterungen durch Sprengungen und schwere Maschinen aushalten. Wie diese vergrabene Kohle aufbricht, sich verformt und Gas entweichen lässt, ist nicht nur eine akademische Frage – sie beeinflusst die Sicherheit im Bergbau, das Risiko plötzlicher Gesteinsausbrüche und wie effizient wir Gas ablassen können, um Explosionen zu verhindern oder Kohlenstoff unterirdisch zu speichern. Diese Studie untersucht, wie zwei Schlüsselkraftfelder – der gleichmäßige Druck durch das umgebende Gestein und wiederholte Spannungsstöße durch den Abbau – zusammenwirken, um Festigkeit und Undurchlässigkeit der Kohle zu formen.

Zwei Druckarten tief unter Tage

In tiefen Bergwerken wird Kohle von allen Seiten durch das umgebende Gestein zusammengedrückt, eine gleichbleibende Kraft, die als Manteldruck bezeichnet wird. Gleichzeitig verursacht der Bergbau an- und abschwellende Störungen: Sprengungen, Maschinenvibrationen und das Verschieben von Gesteinsschichten belasten und entlasten die Kohle wiederholt. Die Autorinnen und Autoren rekonstruierten diese Bedingungen im Labor mit zylindrischen Kohleproben in einer triaxialen Prüfapparatur. Sie variierten, wie stark die Kohle zusammengedrückt wurde (5, 10 und 15 Megapascal Manteldruck) und wie groß die Spannungszyklen waren (5–20 % der Spitzenfestigkeit der Kohle). Während der Tests verfolgten sie, wie die Kohle sich zusammenzog und kriechend verformte, wie viel mechanische Energie sie speicherte oder dissipierte, wie sich ihre inneren Risse dreidimensional entwickelten und wie leicht Gas hindurchströmen konnte.

Wie gleichmäßiges Zusammendrücken Festigkeit und Undurchlässigkeit verändert

Mit steigendem Manteldruck wurde die Kohle deutlich stärker und steifer. Die maximale Spannung, die die Proben aushielten, stieg um mehr als ein Drittel, und die Steigung ihrer Spannungs-Dehnungs-Kurven (ein Maß für die Steifigkeit) nahm ebenfalls zu. Bei höherem Druck wurden die kleinen, bereits vorhandenen Risse zusammengedrückt und die Porenkanäle kompaktiert. Dadurch wurde der Aufbau bleibender, irreversibler Deformationen eingeschränkt und die als Bruch verlorene mechanische Energie reduziert. Infolgedessen verhielt sich die Kohle elastischer und widerstand Störungen eher, anstatt leicht auseinanderzufallen. Gleichzeitig sank ihre Permeabilität – die Leichtigkeit, mit der Gas hindurchtreten kann – stark. Bei 10 und 15 Megapascal fiel der Gasfluss an wichtigen Messpunkten im Vergleich zum niedrigsten Druck um etwa 90–95 % und stabilisierte sich dann, was darauf hindeutet, dass das Rissnetz größtenteils geschlossen war.

Wenn wiederholte Stöße Kohle zur Gasautobahn machen

Wurde der Manteldruck festgehalten und die Größe der Spannungszyklen erhöht, trat der umgekehrte Effekt auf. Größere Spannungswechsel schwächten die Kohle: Ihre Spitzenfestigkeit sank um fast 13 %, als die Amplitude von 5 % auf 15 % der Spitzenspannung anstieg. Die Kohle akkumulierte mit jedem Zyklus mehr irreversible Dehnung und gelangte in einen ermüdungsähnlichen Zustand. Eine Energieanalyse zeigte, dass höhere Amplituden mehr Eingangs- und Elastische Energie in die Proben pumpten und sie in einen „Speichern-und-dann-Platzen“-Versagensmodus trieben statt in langsame, progressive Schädigung. Dreidimensionale Bildgebung bestätigte, dass bei niedriger Amplitude Risse spärlich waren und nicht durch die ganze Probe schnitten, während bei 10–15 % Amplitude große Risse den Kern durchdrangen und das Volumen sowie die Komplexität des Rissnetzes stark erhöhten. Parallel dazu stieg die Gasdurchlässigkeit, und bei der höchsten Amplitude schossen sowohl Dehnung als auch Durchfluss in die Höhe, was anzeigte, dass neue, verbundene Leckwege entstanden waren.

Ein Tauziehen zwischen Drücken und Erschüttern

Im Vergleich aller Tests beschreiben die Forschenden einen Wettbewerb zwischen Manteldruck und Spannungsamplitude. Höherer Manteldruck neigt dazu, Risse zuzuhalten, die interne Rissgeometrie zu vereinfachen und elastische Steifigkeit aufzubauen, wodurch die Kohle stärker, aber weniger durchlässig wird. Stärkere zyklische Störungen bewirken das Gegenteil: Sie treiben Rissinitiierung und -wachstum voran, erhöhen die Konnektivität und die fraktale Komplexität der Risse, verringern die Festigkeit und steigern die Permeabilität stark. Die kombinierte Reaktion ist nichtlinear – zum Beispiel kann sehr hoher Manteldruck die Schädigung über viele Zyklen verzögern, dann aber nahe dem Versagen das Risswachstum und die Energiefreisetzung beschleunigen. Die Autorinnen und Autoren skizzieren sogar eine grobe Schwelle: Um dem rissöffnenden Effekt einer Spannungsamplitude von 15 % entgegenzuwirken, könnte ein Manteldruck von rund 10–12 Megapascal nötig sein.

Was das für sichereren und saubereren Kohleeinsatz bedeutet

Für nicht-fachliche Leser lautet die Quintessenz, dass sich tiefe Kohle wie ein System verhält, das zwischen stetigem Zusammendrücken und wiederholtem Erschüttern gefangen ist. Das Zusammendrücken kann das Gestein stabilisieren und Gaswege verengen, was gut ist, um plötzliche Versagen zu verhindern, aber Gas und Energie einschließen kann. Das Erschüttern durch den Bergbau kann Risse wieder öffnen und erweitern, die Kohle zu einem effektiveren Gasleitweg machen, sie aber auch schwächen und anfälliger für Unfälle machen. Die Studie legt nahe, dass in sehr tiefen, hochdruckigen Bereichen Ingenieure Spannungsstörungen auf etwa 10 % der Festigkeit der Kohle begrenzen sollten, um abruptes Versagen zu vermeiden. In Bereichen, in denen die Verbesserung der Gasdrainage Priorität hat, können dagegen etwas stärkere, kontrollierte Störungen sinnvoll sein, um ein verbundenes Rissnetz zu erzeugen. Das Verständnis dieses Gleichgewichts hilft, Bergwerke zu planen, die sowohl sicherer für die Beschäftigten als auch besser darin sind, die verborgenen Gasströmungen im Gestein zu steuern.

Zitation: Yang, H., Qin, D., Liu, H. et al. Influence of confining pressure and stress amplitude on the mechanical properties and permeability characteristics of coal. Sci Rep 16, 6064 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35979-4

Schlüsselwörter: Stabilität von Kohleflözen, Gesteinsbrüche, Gasdurchlässigkeit, Tiefbau, zyklische Beanspruchung