Auswirkungen von zementiertem Pastapfropfen auf die mechanischen Eigenschaften und die Stabilität von Kohlesäulen beim Highwall-Bergbau im Tagebau

Verwandlung von Bergbaurückständen in ein Stützsystem

Tagebaue für Steinkohle lassen oft große Mengen verwertbarer Kohle unter ihren endgültigen Böschungen zurück, weil deren Abbau den Untergrund schwächen und Erdrutsche auslösen kann. Die vorliegende Studie untersucht, wie ein speziell entwickelter „zementierter Pastapfropfen“ – überwiegend aus Bergbaurückständen hergestellt – dazu genutzt werden kann, diese Böschungen sicher zu stützen und zugleich deutlich mehr Kohle zu gewinnen. Für Leser, die sich für effizientere Ressourcennutzung, sichereren Bergbau und kreatives Recycling industrieller Abfälle interessieren, liefert die Arbeit ein konkretes Beispiel dafür, wie Ingenieurwesen eine Belastung in einen strukturellen Vorteil verwandeln kann.

Warum Kohlesäulen für die Sicherheit wichtig sind

Beim Highwall-Bergbau schneiden Maschinen horizontale Tunnel in die freiliegende Kohlenflöz entlang der Grubenwand und lassen dabei feste Kohlesäulen – so genannte Pfeiler – zurück, die das überlagernde Gestein tragen. Diese Pfeiler sind entscheidend, um Verformungen oder Einstürze der Böschung zu verhindern; zugleich bedeutet ihr Verbleib, dass erhebliche Kohlevorkommen nicht geborgen werden können. In einem chinesischen Tagebau führte der frühe Einsatz von Highwall-Bergbau ohne Verfüllung zu Setzungen auf Sohlen und Fahrwegen und löste Befürchtungen hinsichtlich der Langzeitstabilität aus. Die zentrale Frage der Forscher lautete: Kann die Funktion dieser Kohlesäulen teilweise ersetzt werden, indem die ausgeräumten Hohlräume mit einem gesteuerten, zementierten Pastapfropfen verfüllt werden, sodass mehr Kohle sicher abgebaut werden kann?

Aufbau und Bruch von Miniaturpfeilern

Zur Untersuchung rekonstruierte das Team das Kohle–Puffer–System im Labor mit würfelförmigen Kohleproben aus einem realen Bergwerk. Sie schütteten zementierten Paste aus zerkleinertem Gesteinsabfall, Flugasche, Zement und Wasser beidseitig der Kohle auf und erzeugten so ein „Verfüllung–Kohlepfeiler–Verfüllung“-Sandwich. Durch Variation von zwei Haupteinflussgrößen – dem Verhältnis der Verfüllhöhe zur Pfeilerhöhe (Verfüllungsanteil) und der Festigkeit der Paste – konnten sie feststellen, wie viel Unterstützung die Verfüllung tatsächlich leistete. Diese Proben wurden anschließend in einem starken Stahlbehälter zusammengedrückt, der die enge Einschlusswirkung an einer echten Grubenwand nachahmt, während Messinstrumente aufzeichneten, wie Kohle und Verfüllung auf zunehmende Belastung reagierten.

Wie Verfüllung das Versagensverhalten der Kohle verändert

Die Spannungs-Dehnungs-Kurven – sozusagen die Fingerabdrücke der Lastaufnahme eines Materials – zeigten eine fünfschrittige Abfolge: Verdichtung der Poren, elastische Lastaufnahme der Kohle, Ausbildung und Verbindung von Rissen, das Hauptversagen der Kohle und schließlich in einigen Fällen das Fortbestehen einer Resttragfähigkeit dank der einschränkenden Verfüllung. Bei geringen Verfüllungsanteilen und niedriger Pastenfestigkeit verhielt sich die Kohle schlechter als ohne Verfüllung; die Verfüllung band den Pfeiler nicht ausreichend und verlagerte das Versagen in den oberen, weniger gestützten Bereich, der explosiv zu Fragmenten zerbrach. Mit zunehmender Verfüllhöhe und höherer Festigkeit änderte sich das Bruchbild: Rissbildungen verteilten sich gleichmäßiger durch den Pfeiler, seitliches Aufwölben wurde reduziert, und bei einem Verfüllungsanteil von 95 % mit starker Paste zeigte die Kohle nur geringfügige Oberflächenrisse und blieb größtenteils intakt.

Vom passiven Füllstoff zum aktiven Partner

Eine zentrale Erkenntnis ist, dass Verfüllung mehr leistet, als lediglich Raum einzunehmen. Ist sie zu kurz, um das Deckgebirge zu berühren, kann sie erst nach dem seitlichen Aufwölben der Kohle passiv Widerstand leisten und bietet so nur begrenzten Schutz. Erreicht die Verfüllung jedoch die Dachberührung – praktisch ein 100%iger Verfüllungsanteil – wird sie zu einem aktiven strukturellen Partner. Sie übernimmt einen Teil der vertikalen Last, weitet sich unter Druck seitlich und drückt vor dem Auftreten größerer Risse gegen den Pfeiler, wodurch sich der Spannungszustand in der Kohle dreidimensional günstiger gestaltet. In den Tests stieg die Versagensfestigkeit der Kohlepfeiler mit zunehmendem Verfüllungsanteil und höherer Festigkeit kontinuierlich an und schoss nach Erreichen der Dachberührung sprunghaft nach oben; die Pfeiler behielten zudem nach dem anfänglichen Versagen eine Resttragfähigkeit. Numerische Simulationen der gesamten Böschung bestätigten, dass vollständige, hochfeste Verfüllung die Pfeilerdeformation deutlich reduzierte, die beschädigten Zonen im Hang verkleinerte und die sichere Bergung der gesamten Kohle zwischen den Hohlräumen ermöglichte.

Folgen für sichereren und saubereren Bergbau

Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft: Wie wir ausgeräumte Räume verfüllen, hat entscheidenden Einfluss auf Sicherheit und Ressourceneffizienz. Die Studie zeigt, dass gut konzipierter zementierter Pastapfropfen – besonders wenn er das Dach erreicht und fest anliegt – von einer reinen Abfallentsorgung zu einem ingenieurtechnischen Stützsystem werden kann. Dadurch können Tagebaue nahezu die gesamte unter den Böschungen liegende Kohle fördern, während die Bodenbewegungen gering bleiben und das Risiko von Böschungsversagen sinkt. Praktisch gesehen müssen Ingenieure weiterhin technische Hürden wie Schrumpfung und kleine Lufträume am Dach überwinden, etwa durch Zusatzmittel oder nachträgliches Verpressen. Die zugrunde liegende Schlussfolgerung bleibt jedoch klar: Intelligenter Einsatz von Verfüllmaterialien kann Bergwerken helfen, mehr Ressourcen zu gewinnen, ihre Böschungen zu stabilisieren und gleichzeitig große Mengen an Abraum zu recyceln.

Zitation: Han, L., Chen, X., Chen, T. et al. Impact of cemented paste backfill on mechanical properties and stability of coal pillars in open pit highwall mining. Sci Rep 16, 5717 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36528-9

Schlüsselwörter: Highwall-Bergbau, zementierter Pastapfropfen, Stabilität von Kohlesäulen, Hangdeformation, Recycling von Bergbaurückständen