Warum Sprengungen einen Stollen erschüttern können
Moderne Kohlebergwerke nutzen oft kontrollierte Sprengungen, um den Druck im Gestein über ihren Stollen zu entlasten und gefährliche Gebirgsschläge zu verhindern. Jede Sprengung sendet jedoch auch starke Schockwellen durch den unterirdischen Raum. Diese Studie stellt eine praktische Frage mit lebenswichtiger Bedeutung: Wie viel Sprengladung kann sicher eingesetzt werden, bevor das First- oder das Seitenwandmaterial eines Stollens plötzlich einstürzt, und wie können Ingenieure diesen Kipppunkt im Voraus vorhersagen?
Abbildung eines belasteten Untertagestollens Figure 1.
Die Forscher konzentrierten sich auf ein tiefes Kohlebergwerk in Songshan, China, wo der Stollenfirst aus mächtigen, geschichteten Sandsteinen besteht, während die Kohleseitenwände relativ weich und schwach sind. Um die durch den Abbau verursachten extremen Spannungen zu reduzieren, bohren Ingenieure vor dem Abbauort tiefe Löcher in den First und füllen sie mit Sprengstoff. Beim Zünden sollen diese Ladungen den starken First gezielt aufbrechen und schwächen, sodass er kontrolliert versagt, statt heftig und ohne Vorwarnung. Dieselben Sprengungen erschüttern jedoch auch den Stollen selbst. Starke Vibrationen können das bereits beanspruchte Gestein um den Tunnel über einen kritischen Punkt treiben und plötzliche, „katastrophale“ Verformungen auslösen, anstatt allmählicher, beherrschbarer Bewegungen.
Umwandlung von Gesteinsbewegung in eine Energiebilanz
Um zu verstehen, wann dieses plötzliche Versagen eintreten kann, behandelten die Autoren den geschichteten First über dem Stollen als einfachen Balken, der auf seinen Auflagern ruht. Sie formulierten eine Gleichung für die gesamte im Balken gespeicherte und freigesetzte Energie, einschließlich Biegung des Gesteins, Gewicht der überlagernden Schichten, Widerstand von Unterstützungssystemen wie Bolzen und dem zusätzlichen Impuls durch Sprengvibrationen. Mithilfe eines Zweigs der Mathematik, der Katastrophentheorie, wandelten sie diesen Energieausdruck in ein standardisiertes „Kusp“-Modell um, das Systeme beschreibt, die lange ruhig bleiben und dann abrupt in einen neuen Zustand springen, sobald eine Schwelle überschritten ist. In diesem Rahmen wirken Menge des Sprengstoffs und Stärke der Sicherung als Stellgrößen, während die Firstdurchbiegung die Antwort des Systems ist.
Wie viel Sprengstoff ist zu viel? Figure 2.
Aus dem Kusp-Modell leiteten die Forscher Formeln für eine kritische Sprenglast und daraus eine kritische Sprengladungsmenge für den First ab. Liegt die tatsächliche Ladung unter diesem Wert, kann der First die Störung aufnehmen und stabil bleiben; wird der Wert überschritten, sagt das Modell einen plötzlichen Stabilitätsverlust voraus. Ein ähnliches Vorgehen wendeten sie auf die Seitenwände an, die durch eine Kombination aus vertikalen Rissen und Gleiten entlang einer geschwächten Zone versagen können. Hier bauten die Autoren ein mechanisches Modell eines potenziellen Gleitschubs aus Kohle und Gestein, formulierten erneut einen Energieausdruck und wendeten die Katastrophentheorie an, um eine zweite kritische Ladungsgrenze für die Seitenwandstabilität zu erhalten. In beiden Fällen zeigen die Ergebnisse, dass größere Ladungen, kürzere Abstände zur Zündstelle und schwächeres Gestein oder schwächere Stützsysteme den sicheren Grenzwert verringern.
Was das Bergwerk Songshan dem Modell beibrachte
Mit Laborwerten zur Gesteinsfestigkeit, Feldmessungen der Sprengvibrationen und der Geometrie des 2205-Abbaugesichts im Bergwerk Songshan berechneten die Forscher konkrete kritische Ladungswerte. Der geschichtete First könnte theoretisch fast 100 Kilogramm Sprengstoff pro Sprengzyklus tolerieren, während die empfindlicheren Seitenwände die sichere Ladung auf etwa 93 Kilogramm begrenzten. Das Bergwerk setzte anfangs nur 26 Kilogramm pro Zyklus ein, um Schäden zu vermeiden, was die Arbeit verlangsamte. Anhand der neuen Kriterien erhöhten die Ingenieure die Ladung auf etwa 79 Kilogramm — deutlich unterhalb des berechneten Limits, aber ausreichend, um die Effizienz zu steigern. Überwachungsmessungen zeigten nur geringe zusätzliche Firstsenkungen (5 Millimeter) und moderate Seitenwandbewegungen (11 Millimeter) in den Tagen nach den Sprengungen, was bestätigte, dass der Stollen stabil blieb.
Praktische Regeln für sicherere Sprengungen
Für Nichtfachleute lautet die Kernbotschaft, dass gefährliche Stolleneinstürze bei Sprengungen nicht zufällig sind: Sie treten auf, wenn die Vibrationsenergie das Gesteinssystem über einen mathematisch definierbaren Kipppunkt treibt. Durch die Kombination von Messungen der Gesteinseigenschaften, Stollengeometrie, Stützstärke und Sprengvibration liefert diese Studie Formeln für die maximal sichere Sprengladungsmenge für sowohl First als auch Seitenwände. Sie zeigt auch klare Hebel für die Sicherheit auf: Unterstützung verstärken, Sprengungen weiter vom Stollen entfernen, schwaches Gestein mit Verfahren wie Injektion verfestigen und die Ladung pro Sprengung begrenzen. Gemeinsam angewendet helfen diese Maßnahmen, leistungsstarke Tiefloch-Firstsprengungen zur Druckkontrolle einzusetzen und gleichzeitig unterirdische Stollen — und die dort arbeitenden Menschen — sicher zu erhalten.
Zitation: Guo, D., Chen, J., Wang, H. et al. Catastrophic instability criterion for roadway roof and sidewall rock mass under deep-hole roof blasting in Songshan coal mine.
Sci Rep16, 6448 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36794-7
Schlüsselwörter: Tieflochsprengung, Stollensystem im Kohlebergwerk, Stabilität des Gesteinskörpers, First- und Seitenwandverankerung, Katatstrophentheorie
