Mechanismus der Energieentwicklung des harten Daches der Abbaustrecke neben dem Streb nach hydraulischer Sprengung und Anwendung

Warum das absichtliche Zerstören von Gestein den Bergbau sicherer machen kann

Tiefe unterirdische Kohlebergwerke stehen vor einer verborgenen Bedrohung: Das feste Gesteinsdach über den Stollen kann plötzlich nachgeben und gespeicherte Energie wie eine riesige unterirdische Feder freisetzen. Solche gewaltsamen Versagungen können Ausrüstung beschädigen, seismische Erschütterungen auslösen und Bergleute gefährden. Diese Studie untersucht, wie gezielt geplantes hydraulisches Fracturing — das Einspritzen von Hochdruckwasser zum Aufbrechen von Gestein — die Art und Weise verändern kann, wie diese Energie im Dach über einer Abbaustrecke neben einer bereits ausgebeuteten Hohlkehle (goaf) gespeichert und freigesetzt wird. Die Forschenden kombinieren Theorie, Computersimulationen und Messdaten aus einem chinesischen Bergwerk, um zu zeigen, wie gezieltes Aufbrechen gefährliche Spannungen und seismische Aktivitäten drastisch reduzieren kann.

Vom unterirdischen „Feder“ zur kontrollierten Setzung

Wenn Kohle entnommen wird, verlieren die darüber liegenden Gesteinsschichten ihre feste Unterstützung und beginnen sich zu biegen und zu brechen. Eine mächtige, feste „harte Dach“-Schicht kann wie ein langes auskragendes Trägerstück wirken. Sie biegt sich, speichert große Mengen elastischer Energie und versagt dann plötzlich, wodurch ein Stoß von Spannungen und Schockwellen ins Bergwerk gesendet wird. Liegt eine Abbaustrecke neben einer Goaf — einem älteren, ausgekohlten Bereich mit eigenem hängenden harten Dach — verschärft sich das Problem, weil Bewegungen in einem Bereich Energie in den anderen übertragen können. Die Autor:innen verwenden Energieformeln, um zu zeigen, dass das intakte harte Dach als effizientes Energiespeicher- und Übertragungssystem wirkt und so das Risiko plötzlicher Gebirgsschläge und starker mikro-seismischer Ereignisse erhöht.

Gespeicherte Spannungen in langsame, gleichmäßige Bewegung verwandeln

Die Kernidee dieser Arbeit ist, das harte Dach gezielt zu schwächen, sodass es etappenweise statt ruckartig nachgibt. Mittels Langloch-Hydraulikfrakturierung injizieren Ingenieur:innen Hochdruckwasser in die entscheidende Gesteinsschicht und erzeugen so ein Rissnetzwerk. Dadurch wird das Dach in kleinere Segmente zerteilt, die sich drehen, gleiten und allmählich setzen. Energetisch wird die elastische potenzielle Energie des Daches schrittweise in einfache Gravitationsenergie umgewandelt, während die gebrochenen Stücke absinken. Die Berechnungen für das Gaojiapu-Kohlenbergwerk zeigen, dass nach der Frakturierung die als dynamische Spannung zur Abbaustrecke übertragene Energie um etwa 95 % reduziert werden kann und die Zusatzspannung an der Front um rund 80 % sinkt.

Den sichersten Ort zum Aufbrechen finden

Das Aufbrechen des Daches darf die nahegelegenen Stollen, die Luft und Personen führen, nicht unterminieren. Die Forschenden entwickeln ein vereinfachtes mechanisches Modell der Kohlepfeiler zwischen Abbaustrecke und Goaf, um zu bestimmen, wo das Gestein um die Fahrstrecke am anfälligsten ist. Durch Verfolgung des Spannungsaufbaus und des Nachgebens von Kohle und Gestein berechnen sie die Breite der am stärksten geschädigten Zone neben dem Goaf. Unter Berücksichtigung der Reichweite eines Rissnetzwerks kommen sie zu dem Schluss, dass sich der ideale Frakturierungsort in etwa 31 Metern Entfernung zur Rücklauf-Luftstrecke befinden sollte. In dieser Entfernung können die Risse das goafseitige Dach ausreichend auftrennen, um die Energieübertragung abzuschneiden, während die Pfeiler der Fahrstrecke stabil bleiben.

Die Idee in virtuellen und realen Bergwerken testen

Um ihre Theorie zu prüfen, simulieren die Autor:innen den Abbau mit und ohne hydraulische Frakturierung mithilfe eines teilchenbasierten Computermodells. Im Szenario ohne Frakturierung hängt das harte Dach weit in das Goaf hinein, bevor es schließlich bricht, was große Verschiebungen und eine konzentrierte Spannungszone über der Kohlenflöz erzeugt. Im „frakturierten“ Fall führen vorbestehende Risse dazu, dass die entscheidende Gesteinsschicht früher und über einen breiteren Bereich hinweg bewegt und aufgebrochen wird. Das simulierte fraktierte Dach entwickelt mehr als doppelt so viele Risse wie das intakte Dach, und das Hauptdach beginnt fast 50 Meter früher zu setzen, wodurch ein großes, steifes Auskragen vermieden wird. Spannungssensoren im Modell zeigen, dass Spitzenbelastungen an der Abbaustrecke um bis zu etwa 18 % sinken und schneller ein stabiles Niveau erreichen.

Praktische Verbesserungen bei Druck- und seismischer Sicherheit

Schließlich wird die Methode an der Abbaustrecke 3407 in Gaojiapu angewendet. Hochdruckwasser wird durch ein geplantes Array langer Bohrungen vor dem Abbaugebiet injiziert. Hydraulikschilddrücke — als Proxy für Dachlast und Spannung — zeigen in nicht fraktierten Abschnitten starke, regelmäßige Spitzen, werden jedoch schwächer und weniger periodisch, sobald der Abbau in die frakturierten Zonen gelangt. Gleichzeitig zeigt die mikro-seismische Überwachung, dass zwar die Anzahl der kleinen Ereignisse ähnlich bleibt, ihre tägliche Gesamtenergie jedoch stark einbricht und der Anteil hochenergetischer Ereignisse von fast einem Viertel auf weniger als fünf Prozent sinkt. Praktisch bedeutet das, dass das Bergwerk von einer „Gefahr“-Kategorie in einen sichereren Betriebszustand übergeht, mit geringerem Risiko plötzlicher, gewaltsamer Dachversagen.

Was das für sichereren Tiefbergbau bedeutet

Für Nicht-Fachleute ist die Kernaussage: Das kontrollierte Aufbrechen von Gestein kann unterirdische Bergwerke tatsächlich sicherer machen. Durch hydraulische Frakturierung zur Voraufsprengung des harten Daches an der richtigen Stelle können Ingenieur:innen einen einzelnen gefährlichen „Ruck“ in eine Reihe kleinerer, beherrschbarer Bewegungen verwandeln. Die Studie zeigt, dass dies neben einer ausgebeuteten Goaf die Spannung an der aktiven Abbaustrecke und die Stärke bergbaubedingter seismischer Ereignisse deutlich reduzieren kann. Obwohl die Modelle vereinfacht sind und künftige Arbeiten detailliertere dreidimensionale Werkzeuge verwenden werden, legen Theorie, Simulationen und Felddaten nahe, dass gezielte hydraulische Frakturierung ein wirkungsvolles Instrument zur Verringerung des Katastrophenrisikos im Tiefbergbau ist.

Zitation: Liu, X., Liu, H., Dong, J. et al. Energy evolution mechanism of hard roof of working face adjacent to goaf after hydraulic fracturing and application. Sci Rep 16, 6055 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36520-3

Schlüsselwörter: Hydraulisches Fracking, Sicherheit im Bergbau, Verhinderung von Gebirgsschlägen, Dachspannung, Mikroseismische Überwachung