Studie zum Mechanismus und zu Präventionstechniken dynamischer Gefährdungen in fast senkrechten, extrem dicken Kohleflözen

Warum tiefer Kohleabbau plötzlich gefährlich werden kann

Während die Welt weiterhin auf Kohle für Energie und Industrie angewiesen ist, sehen sich Bergbauunternehmen gezwungen, immer tiefer und in zunehmend schwierige Geologien vorzudringen. In Teilen Westchinas stehen einige der dicksten Kohleflöze nahezu aufrecht, wie Bücher im Regal. Der Abbau dieser fast senkrechten Flöze hat zu heftigen unterirdischen „dynamischen Katastrophen“ geführt – plötzliche Gebirgsschläge und Felsbrüche, die Ausrüstung beschädigen und das Leben der Bergleute gefährden können. Diese Studie untersucht eine solche Grube, die Wudong-Kohlenmine in Xinjiang, um zu verstehen, warum diese Katastrophen auftreten und wie man ihnen vorbeugen kann.

Kohleflöze, die auf der Kante stehen

In den Köpfen der meisten Menschen liegen Kohleflöze ungefähr horizontal unter der Erde. In Wudong jedoch sind die Hauptflöze 28 bzw. 40 Meter dick und fallen mit etwa 85–87 Grad, also nahezu vertikal. Dazwischen befindet sich eine massive Felswand, ein sogenannter Felskeil. Wenn Bergleute auf verschiedenen Sohlen horizontale Schichten abteufen, entstehen große Hohlräume (Ausmuldungen). In solchen steilen Flözen wirkt die Schwerkraft seitwärts ebenso wie nach unten und belastet Dach, First und den zentralen Felskeil ungewöhnlich stark. Frühere Unfälle in dieser Region – mehrere energiereiche Gebirgsschläge, die mit dem Keil und dem Dach zusammenhingen – zeigten, dass diese Strukturen große Energiemengen speichern und plötzlich freisetzen können.

Wie Felskeile und Dächer verborgene Energie speichern

Die Forscher kombinierten mathematische Modellierung, Laborversuche an Gesteinsproben, unterirdische Messungen und maßstabsgetreue physikalische Modelle, um zu verfolgen, wie der Felskörper sich verformt, wenn der Abbau fortschreitet. Sie fanden heraus, dass der Keil, sobald die Kohle um ihn herum entfernt ist, wie ein riesiger Kragbalken reagiert und langsam in Richtung eines der abgebauten Hohlräume durchhängt. Dieses Biegen und Drehen presst und spreizt die verbleibende Kohle an den Seiten und baut in Keil und Kohle Verformungsenergie auf. Berechnungen zeigten, dass die ersten Risse im Keil beginnen, wenn etwa 150 Meter freigelegt sind, und großskaliges Versagen sich entwickelt, wenn die ungestützte Höhe rund 350 Meter erreicht. Mikro-seismische Überwachung – gewissermaßen ein unterirdisches „Zuhören“ nach kleinen Erdbeben – bestätigte bei diesen Tiefen intensive Schäden und energiereiche Ereignisse im Keil.

Umstürzende Dächer, gleitende Sohlen und gewaltiger Einsturz

Die darüber liegenden Gesteinsschichten verhalten sich ähnlich kritisch. Weil die Flöze nahezu vertikal stehen, wird das Dach nicht wie üblich gerade nach unten gedrückt; stattdessen neigt es dazu, in Richtung der Hohlräume zu kippen. Die Modelle des Teams und eine große Laborsimulation zeigten, dass das unmittelbare Dach mehr als 40 Meter ungestützt hängen kann, bevor es versagt. Beim Versagen stürzen die oberen Lagen überwiegend um – wie umfallende Bücherreihen –, während niedrigere Schichten auch absinken oder gleiten können. Zerstörte Blöcke stürzen dann in den Hohlraum und rotieren, wobei sie manchmal vorübergehende dreieckige Abstützungen bilden, die später erneut zusammenbrechen. Die Sohle unter dem unteren Flöz wird ebenfalls belastet und dann beim Fortschreiten des Abbaus plötzlich entlastet, wodurch sie zum Scheren und Gleiten neigt. Zusammengenommen erzeugen biegende Keile, überhängende Dächer und geschwächte Sohlen starke statische Spannungen und, wenn sie schließlich brechen, heftige dynamische Impakte, die Gebirgsschläge auslösen können.

Vom Verständnis der Gefahr zur Veränderung des Gesteins

Da die Autoren erkannten, dass Katastrophen aus einer Kombination hoher statischer Spannungen und plötzlicher dynamischer Störungen entstehen, konzentrierten sie sich auf Möglichkeiten, Energie abzuführen, bevor sie Schaden anrichten kann. Ihre Lösung besteht darin, ausgewählte Gesteinszonen gezielt zu schwächen – mittels kontrollierter Sprengungen. Sie bohren zwei Bohrlochreihen – flache und tiefe – sowohl in Dach als auch Sohle vor dem Abbaufront, und zünden dann gesteuerte Sprengladungen. Dadurch entsteht eine dreidimensionale „Pufferzone“ aus zerkleinertem Gestein, die die horizontalen Spannungen aus dem Keil und den umgebenden Schichten umlenkt und abschwächt. Computersimulationen zeigten, dass diese Maßnahmen im Vergleich zu keiner Sprengung die horizontale Spannung vor der Abbaufront um bis zu rund ein Fünftel senken können, wobei in ihren Szenarien die Sprengung mit flachen Löchern allein die beste Wirkung zeigte.

Nachmessen, ob der Schutz wirklich wirkt

Zur Prüfung der Technik unter Tage verwendete das Team zwei Arten der Überwachung. Erstens verfolgten sie elektromagnetische Strahlung, die natürlicherweise freigesetzt wird, wenn Kohle und Gestein reißen. Nach den Sprengungen sanken die Strahlungswerte in der behandelten Zone um nahezu 30 Prozent im Gestein und etwa 13 Prozent in der Kohle, was auf eine Spannungsreduktion hinweist. Zweitens untersuchten sie mikro-seismische Daten aus einem Monat vor und nach den Sprengungen. Unmittelbar nach den Sprengungen stiegen Anzahl und Energie der mikro-seismischen Ereignisse an, als Risse geöffnet und gespeicherte Spannungen freigesetzt wurden. Mit der Zeit nahmen sowohl Häufigkeit als auch Energie ab, was darauf hindeutet, dass der Felskörper stabiler geworden und weniger anfällig für ein gewaltsames Versagen ist.

Tieferen, steilen Kohleabbau sicherer machen

Für Nichtfachleute lautet die Kernaussage, dass die gefährlichsten Kräfte in steilen, extrem dicken Kohleflözen größtenteils unsichtbar sind: langsames Durchbiegen und Hängen riesiger Felsplatten, die still Energie anhäufen, bis etwas nachgibt. Die Studie zeigt, dass Ingenieure durch das Verständnis, wo und wie sich diese Energie ansammelt – vor allem im zentralen Felskeil und in den überhängenden Dächern – frühzeitig eingreifen und das Gestein gezielt schwächen können. Richtig angewandt wirkt diese kontrollierte Schädigung wie ein Sicherheitsventil: Sie senkt Spannungen, verringert das Ausmaß plötzlicher Freisetzungen und vermindert die Wahrscheinlichkeit von Gebirgsschlägen. Der Ansatz bietet einen praktischen Weg zu sichererem Bergbau in einigen der herausforderndsten Kohlelagerstätten der Welt.

Zitation: Zhang, Y., Li, Q., Li, L. et al. Study on the mechanism and prevention techniques of dynamic disaster in nearly vertical extra-thick coal seams. Sci Rep 16, 6520 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37461-7

Schlüsselwörter: Gebirgsschlag, Sicherheit im Kohlebergbau, steile Kohleflöze, Spannungsabbau durch Sprengung, Versagen von Felskeilen