Experimentelle Studie zur Entwicklung der Kompaktionsverformung und zu den Energieverlusteigenschaften von gestuften Schüttgesteinsmassen

Warum zerkleinertes Gestein unter Tage wichtig ist

Tief unter Tage in Kohlebergwerken sind Hohlräume häufig teilweise mit Schuttgestein gefüllt. Wie dicht dieses Geröll zusammensackt und wie es beim Verschieben Energie freisetzt, kann beeinflussen, ob Gas sicher entweicht oder sich zu einer gefährlichen Explosionsgefahr anstaut. Diese Studie untersucht, wie unterschiedliche Mischungen aus großen und kleinen Gesteinsstücken komprimieren, wie sich die Zwischenräume zwischen ihnen verändern und wie viel gespeicherte Energie beim Zusammendrücken freigesetzt wird — Wissen, das Bergbau sicherer und effizienter machen kann.

Wie das Gestein gequetscht und belauscht wurde

Die Forscher sammelten feinkörnigen Sandstein aus einem chinesischen Kohlebergwerk und zerkleinerten ihn in Partikel fünf verschiedener Größengruppen, von wenigen Millimetern bis zu 25 Millimetern. Mithilfe eines mathematischen Verfahrens, des Korngrads, stellten sie fünf unterschiedliche Mischungen her, die von feinkornlastig bis grobkörnig reichten. Jede 2,4‑Kilogramm-Probe wurde in einen stabilen Stahlzylinder gefüllt und von oben komprimiert, während die Seiten starr gehalten wurden — vergleichbar mit der Belastung, die Schuttgestein in einem ausgebeuteten Hohlraum durch das Überlagerungsgebirge erfährt. Gleichzeitig „hörten“ empfindliche akustische Sensoren nach winzigen elastischen Wellen, die entstehen, wenn Partikel gleiten, reiben oder brechen, und wandeln diese Signale in Ereigniszahlen und Energiewerte um, die die innere Umordnung des Gesteinsgerüsts nachvollziehbar machen.

Drei Stadien des Zusammensackens

Anhand von Spannungs‑ und Dehnungsdaten fanden die Forschenden heraus, dass alle Mischungen drei deutlich unterscheidbare Kompaktionsstadien durchliefen. Zuerst trat eine Anfangsphase auf, in der locker gepackte Partikel gleiten, rotieren und sich neu setzen, was bei vergleichsweise geringen Spannungen zu schnellem Verkürzen führt. Darauf folgte eine lineare Phase, in der die Struktur stabiler wird und weitere Belastung eine nahezu lineare Beziehung zwischen Spannung und Verformung erzeugt; hier dominieren Partikelzertrümmerung und engere Flächenkontakte zwischen Körnern. Schließlich erschien eine plastische Konsolidierungsphase, in der die Gesteinsmasse steif wird und sich weiterer Verkürzung widersetzt: Mehr Belastung führte nur zu geringer zusätzlicher Verformung, aber zu intensiverer lokaler Zerkleinerung. Mischungen mit hohem Feinanteil erreichten die späteren Stadien früher und verweilten länger in der finalen steifen Phase, während grobkörnige Mischungen höhere Spannungen benötigten, um dieselbe Verkürzung zu erzielen.

Wie Hohlräume und Korngrößen sich entwickeln

Die Zwischenräume zwischen den Partikeln verringerten sich in einem dreistufigen Muster, das die Verformungsstadien widerspiegelt: ein schneller Abfall, ein langsameres Sinken und schließlich eine nahezu Plateaubildung, sobald das Material seinem dichtesten Zustand nahekam. Proben mit mehr großen Partikeln begannen mit mehr Leerraum und verloren insgesamt mehr Hohlraumanteil, ihre Porosität fiel jedoch bei niedrigen Spannungen schneller. Nach der Kompression zeigte die Siebung, dass alle Mischungen viele neue winzige Fragmente kleiner als 2,5 Millimeter erzeugt hatten, während der Anteil der größten Partikel stark zurückging. Ein fraktales Maß für die Komplexität der Korngrößen nahm bei jeder Probe zu, und die Endwerte gruppierten sich in einem engen Bereich, was darauf hindeutet, dass die Verdichtung anfängliche Unterschiede zwischen den Mischungen tendenziell ausglich. Grobkörnige Mischungen endeten jedoch weiterhin mit etwas einfacheren (weniger fragmentierten) Korngrößenverteilungen als feinkörnige Mischungen.

Energieflüstern und -ausbrüche im Geröll

Die akustischen Messungen zeigten, dass auch die Muster der Energieabgabe den drei Stadien folgten. In der frühen Phase waren die Signale häufig, aber schwach — ein Hinweis auf Reibung und kleine Umstellungen zwischen Körnern. Während der linearen Phase stiegen sowohl die Anzahl der Ereignisse als auch deren Gesamtenergie stark an, als größere Partikel zu brechen begannen und sich die innere Struktur neu ordnete. Im finalen Stadium sank die Ereignisanzahl, doch einzelne Energieschübe wurden deutlich stärker, was mit gelegentlichem Bruch verbleibender großer Fragmente innerhalb eines bereits starren Gefüges verknüpft ist. Mischungen mit mehr Feinanteil erzeugten deutlich mehr niederenergetische Ereignisse, während grobkörnige Mischungen weniger, dafür deutlich energiereichere Ausbrüche produzierten — ein Übergang von „vielen kleinen Flüstern“ zu „seltenen lauten Knallen“ mit zunehmendem Kornanteil.

Was das für die Sicherheit im Bergbau bedeutet

Insgesamt zeigt die Studie, dass die Korngraderung des Schuttgesteins — das Verhältnis von Feinmaterial zu groben Brocken — maßgeblich steuert, wie es verdichtet, wie sich Hohlräume schließen, wie Seitenkräfte entstehen und wie gespeicherte Energie freigesetzt wird. Im Laufe der Zeit neigen unterschiedliche Anfangsmischungen dazu, zu ähnlich dichten, fein fragmentierten Zuständen zu konvergieren, doch sie durchlaufen sehr unterschiedliche mechanische und energetische Wege, um dorthin zu gelangen. Für Bergbauingenieure hilft das Verständnis dieser Wege, vorherzusagen, wie sich Goaf‑Zonen verfestigen, wie Gasdurchlässigkeiten sich öffnen oder schließen und wann gefährliche Spannungskonzentrationen und Energieansammlungen auftreten könnten — eine wissenschaftliche Grundlage für bessere Gasableitungsstrategien und verbesserte Kontrolle von Gesteins‑ und Gasunglücken in tiefen Kohlebergwerken.

Zitation: Peiyun, X., Wuyi, Y., Shugang, L. et al. Experimental study on the compaction deformation evolution and energy dissipation characteristics of graded broken rock mass. Sci Rep 16, 6606 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36352-1

Schlüsselwörter: Verdichtung von Schuttgestein, Grubenschutt in Kohlebergwerken, körnige Materialien, Akustische Emission, Gasunglücksprävention