Verteilungsgesetz und Kontrolle des zweiten Invariants der deviatorischen Spannung beim Strebennebengewinn

Warum diese unterirdische Geschichte wichtig ist

Tief unter der Erde müssen moderne Kohlebergwerke Stollen schaffen, die sicher bleiben, selbst wenn benachbarte Kohle abgebaut wird. Eine zunehmend verbreitete Methode, das sogenannte Strebennebengewinn-Verfahren, erlaubt es Bergleuten, einen Stollen wiederzuverwenden, anstatt ihn hinter einer Wand unberührter Kohle aufzugeben. Das spart wertvolle Ressourcen, macht den verbleibenden Stollen jedoch anfällig für Quetschung und Einsturz, wenn sich das Gebirgsmassiv verschiebt. Diese Studie aus einem tief liegenden chinesischen Kohlebergwerk zeigt, wie eine neue Art, Gesteinsspannungen zu verfolgen, vorhersagen kann, wo Versagen am wahrscheinlichsten auftritt — und wie intelligentere Stützmaßnahmen diese lebenswichtigen Tunnel von Beginn bis Ende des Abbaus stabil halten können.

Den Stollen neben einer einstürzenden Hohlraumkante erhalten

Beim Strebennebengewinn wird Kohle entlang einer Firstwand gewonnen, während ein unmittelbar neben dem ausgekohlten Hohlraum („Gob“) liegender Fahrweg erhalten bleibt. Anstelle eines dicken Kohlepfeilers bauen die Bergleute eine künstliche Wand, die sogenannte Seitenfüllung, zwischen Fahrweg und Gob. Diese Füllung muss mehrere Aufgaben gleichzeitig erfüllen: schnell Last aufnehmen, wenn das Dach einstürzt, große Verformung ohne Bruch aushalten und den Fahrweg gegen Gase und abgestürztes Gebirge abdichten. Das Team analysierte ein 690 Meter tiefes Panel der Xinzhuang-Kohlenmine, wo ein rechteckiger Fahrweg neben dem Gob erhalten wurde und durch eine ein Meter breite zementgebundene Füllung sowie Bolzen und Ankerseile im umgebenden Gebirge gestützt war.

Beobachtung, wie sich Gesteinsspannungen bilden und verschieben

Anstatt sich nur auf einfache Druckwerte zu beschränken, konzentrierten sich die Autoren auf die Formänderung des Gesteins unter Belastung und verwendeten dazu die Größe des zweiten Invariants der deviatorischen Spannung — hier vereinfacht als ein Gesamtmaß dafür verstanden, wie stark das Gestein verzerrt wird und dem Versagen entgegengetrieben wird. Mit detaillierten Computermodellen simulierten sie den gesamten Lebenszyklus des Fahrwegs: von der frühen Ausbruchsphase über die intensive Bergbauphase nahe der Firstwand bis zur späteren Phase, in der sich das Gob weitgehend verdichtet hat. Sie verfolgten, wie dieses Spannungsmaß ringförmige Zonen um den Stollen bildete, wie seine Spitzen mit dem Vorrücken des Abbaus tiefer in Dach und Kohlewand wanderten und wie plastische (dauerhaft verformte) Bereiche wuchsen und sich dann stabilisierten.

Drei Gefahrenstadien um den Fahrweg

In der frühen Phase, lange bevor die Firstwand den Fahrweg erreichte, bildete sich um die Öffnung ein ungleichmäßiger Ring mit moderaten Spitzen etwa 2,5 Meter in Dach und der festen Kohlesohle. In den oberflächennahen Schichten waren die Spannungen relativ gering, was einem bereits durch den Ausbruch entspannten Bereich entsprach. Als die Firstwand näher kam und vorbeiging (mittlere Phase), erlebte das Gestein deutlich stärkere Störungen: Die Spitzen wuchsen und verschoben sich tiefer, auf etwa 4,5 Meter im Dach und 3,5 Meter in der Kohlesohle, und schmale Bänder hoher Spannung bildeten sich nahe der Dachkante auf der Kohleseite. In der späten Phase, nachdem die Firstwand Dutzende Meter weitergezogen war und das eingestürzte Material im Gob stärker kompaktierte, entspannten sich die Spannungen in den flachen Schichten auf der Gob-Seite, doch die tief liegende Spitzzone an der Dachkante der Kohleseite weiterte sich aus und intensivierte sich, bevor sie schließlich eine neue Stabilität erreichte.

Wie die künstliche Wand die Last teilt

Die Füllung verhielt sich anders als das natürliche Gestein. Die Spannung in ihr stieg nahezu linear von der Gob-Seite zur Fahrwegsseite an, was widerspiegelt, wie sie allmählich die Last anstelle der entfernten Kohle übernahm. Mit zunehmendem Abstand hinter der Firstwand und der Kompaktion des Gobs schwächte sich die Tendenz, dass sich die Spannung in der Füllung konzentrierte, was bedeutete, dass das umgebende zerbrochene Gestein zunehmend zur Unterstützung des Dachs beitrug. Mechanische Berechnungen zeigten, dass bei den gegebenen Gesteinseigenschaften und dem Dachverhalten eine ein Meter breite Füllung mit einer Festigkeit von etwa 20 Megapascal genug Widerstand liefern kann, damit das Dach kontrolliert bricht statt eine lange, schwere Überhangplatte zu bilden.

Stützen entwerfen, die die verborgenen Hotspots erreichen

Durch die Kartierung der Orte, an denen Spannungs-Maxima auftraten und wie sie sich verschoben, identifizierten die Forscher „zu kontrollierende“ Zonen im Dach und in der festen Kohlesohle mehrere Meter jenseits der Fahrwegswand. Konventionelle kurze Bolzen verstärken hauptsächlich das oberflächliche, bereits gebrochene Gestein, leisten aber bei diesen tieferen Gefahrenzonen wenig. Das Team entwarf daher ein kombiniertes Stützsystem: dichte Rock-Bolts und Bewährungsnetz im oberflächlichen Dach und in den Wänden; eine flexible Zementplattenwand und interne Bolzen zur Versteifung der Füllung; sowie lange Ankerseile in einem Winkel, sodass sie direkt durch die durch das Spannungsinvariant aufgezeigten Hochspannungsbänder verlaufen. Feldmessungen zeigten, dass unter realen Abbaubedingungen die Verformung des Fahrwegs unter etwa 30 Zentimetern gehalten wurde und die Füllung sich um weniger als 10 Zentimeter zusammendrückte, was bestätigte, dass der Stollen während des gesamten Abbauzyklus einsatzfähig blieb.

Was das für sichereren, effizienteren Bergbau bedeutet

Die Studie zeigt, dass das Betrachten der Scher- und Verzerrungszustände des Gesteins — anstatt nur des Druckniveaus — tief sitzende Versagensbereiche um einen wiederverwendeten Fahrweg präzise lokalisieren kann. Indem lange Anker an diesen verborgenen Spannungs-Maxima ausgerichtet und die Seitenwand mit geeigneter Breite und Festigkeit ausgelegt werden, können Ingenieure Stollen neben ausgekohlten Hohlräumen offenhalten, ohne Kohle in dicken Pfeilern zu verschwenden. Praktisch bedeutet das bessere Rohstoffausbeute, weniger neue Vortriebe und sicherere Arbeitsbedingungen — alles basierend auf einem nuancierteren Verständnis davon, wie das unterirdische Gebirge tatsächlich auf den Fortschritt des Abbaus reagiert.

Zitation: Jiang, D., Guo, J., Sun, G. et al. Distribution law and control of the second invariant of deviatoric stress in gob-side entry retaining. Sci Rep 16, 12803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37680-y

Schlüsselwörter: Strebennebengewinn, Stabilität von Grubenbauen in Kohlebergwerken, Gesteinsspannung und Versagen, Seitenfüllung zur Stützen, numerische Simulation im Bergbau