Studie zur sinnvollen Lage von Stollen in wiederholt abgebauter Überlagerung bei seicht liegenden, nah beieinanderliegenden Flözen: Eine Fallstudie

Sicherheit unter Tage bewahren

Tief unter den Graslandschaften der Inneren Mongolei arbeiten Bergleute in einem Labyrinth von Tunneln, die stabil bleiben müssen, während Millionen Tonnen Gestein von oben drücken. Diese Studie stellt eine auf den ersten Blick einfache, aber lebenswichtige Frage: Wo genau sollte in einem bereits stark bearbeiteten Bergwerk ein neuer Fahrweg angelegt werden, damit er so sicher und stabil wie möglich bleibt?

Warum frühere Abbaubereiche noch wichtig sind

In vielen Kohlegebieten Nordchinas liegen Flöze dicht beieinander, manchmal weniger als 40 Meter. Der Abbau erfolgt meist von oben nach unten, sodass beim Erschließen eines tieferen Flözes die darüber liegenden Schichten bereits von Hohlräumen (Goafs) und verbliebenen festen Kohleblöcken (Pfeiler) durchsetzt sein können. Diese Pfeiler tragen einen großen Teil der Last des Überlagerns. Diese zusätzliche Belastung erzeugt Zonen sehr hoher Druckspannungen im umliegenden Gestein. Wird ein neuer Fahrweg — ein horizontaler Tunnel für Belüftung, Transport und Zugang — an einer ungünstigen Stelle unter einer solchen komplexen Struktur angelegt, können Dach und Sohle stark verformen, Stützsysteme versagen und es können schwere Unfälle eintreten.

Wie das Deckgebirge bricht und absinkt

Die Untersucher konzentrierten sich auf die Shigetai-Kohlemine in der Inneren Mongolei, wo ein neues Flöz namens 3‑2‑2 unmittelbar unter einem älteren Abbaufeld 3‑2‑1 liegt. Zunächst mussten sie verstehen, wie die Gesteinsschichten über den alten Abbauten gebrochen und gesetzt hatten. Unter Verwendung etablierter Theorien dazu, wie starke Gesteinsschichten sich biegen, aufreißen und drehen, wenn ein Flöz ausgeräumt wird, bauten sie ein schrittweises Modell der Überlagerung. Manche Lagen verhalten sich wie geschwungene Steinbögen mit Scharnierwirkung, andere wie auskragende Balken, und einige werden zu „kritischen“ Schichten, an denen große Brüche auftreten. Das Team verband diesen theoretischen Rahmen mit Felddaten zu Gesteinsarten und Mächtigkeiten, um zu kartieren, wie das Überlagernde — alles über der Kohle — nach wiederholtem Abbau mehrerer naher Flöze gebrochen war.

Simulation einer verborgenen Spannungslandschaft

Um ihr Strukturmodell zu testen und zu verfeinern, nutzten die Autoren leistungsfähige dreidimensionale Computersimulationen. In einer Modellreihe rekonstruierten sie die Abfolge des Abbaus in der Gegend und beobachteten, wie die Gesteinsblöcke über den Goafs sich bogen und kollabierten. Die Simulationen zeigten, dass das gebrochene Gestein über den Flözen und die intakten Kohlepfeiler ein komplexes, stufenförmiges Setzungsbild bildeten, was das theoretische Bild bestätigte. Anschließend berechneten sie, wie diese Struktur die Spannungen in den verbleibenden Kohlepfeilern des Flözes 3‑2‑1 konzentriert und wie diese Spannungen in die darunter liegende Sohle eingeleitet werden. Sie fanden heraus, dass die vertikale Belastung über die Breite eines Pfeilers an der Sohle ein „M‑förmiges“ Muster bildet, mit zwei Druckspitzen nahe den Seiten und einem kleineren, elastischen Kern in der Mitte. Mit zunehmender Tiefe unterhalb des Pfeilers glättet sich dieses Muster allmählich zu einem umgekehrten U und dann zu einem scharfen umgekehrten V. Gleichzeitig nimmt der Druck direkt unter dem Pfeiler ab, während der Druck unter dem angrenzenden ausgeräumten Bereich langsam zunimmt.

Den sichersten Platz für einen neuen Stollen finden

Anhand dieser detaillierten Karte verborgener Spannungen bewertete das Team, wo der neue Fahrweg im Flöz 3‑2‑2 angelegt werden sollte. Sie verglichen zwei Hauptoptionen unter dem darüber liegenden Pfeiler: eine direkt unter dessen Rand, wo der Pfeiler bereits teilweise geschädigt und entlastet ist, und eine andere unter dem relativ intakten zentralen „Kern“ des Pfeilers. Mit einer weiteren Reihe numerischer Simulationen untersuchten sie, wie sich das Gestein um den Fahrweg zunächst während der Ausrichtung und anschließend nach dem Abbau des neuen Langschnitts verformt. Die Ergebnisse zeigten, dass, wenn der Fahrweg unter dem elastischen Kern des Pfeilers liegt, beide Seitenwände starke Spannungsansammlungen und große seitliche Bewegungen erfahren. Im Gegensatz dazu trägt bei einem unter dem Rand des Pfeilers angeordneten Fahrweg die Seite unter dem Goaf deutlich weniger Spannung, und die Gesamtverformung des umliegenden Gebirges ist spürbar kleiner, besonders nachdem die Kohle darüber vollständig ausgeräumt und der Pfeiler weitgehend versagt hat.

Vom Computermodell zur realen Grube

Auf Basis dieser Erkenntnisse legten die Ingenieure in Shigetai den Fahrweg 3‑2‑2 direkt unter den Rand des darüber liegenden Kohlepfeilers 3‑2‑1 und entwarfen ein robustes Muster aus Felsankern, Stahlschlaufen und Netz zur Sicherung von Dach und Wänden. Feldmessungen verfolgten dann, wie stark sich Sohle und Dach des Fahrwegs annäherten und wie Risse im umgebenden Gestein wuchsen. Der maximale Schließungsbetrag zwischen Dach und Sohle betrug etwa 48 Zentimeter, und neue Risse beschränkten sich größtenteils auf einen Bereich von drei Metern um die Fahrwegsoberfläche — Werte, die mit den Simulationen übereinstimmten und als akzeptabel für einen sicheren Betrieb angesehen wurden.

Was das für den künftigen Bergbau bedeutet

Für Nichtfachleute ist die Kernbotschaft klar: In Bergwerken mit vielen eng gestapelten dünnen Kohleflözen prägen die „Geister“ früherer Abbautätigkeiten maßgeblich die Sicherheit neuer Tunnel. Die Studie zeigt, dass Ingenieure durch sorgfältige Modellierung des Bruchverhaltens von Gesteinsschichten und der Spannungsanreicherung in verbleibenden Pfeilern Fahrweglagen wählen können, die die gefährlichsten Druckzonen meiden. In diesem Fall bot die Anlage des neuen Fahrwegs unter dem Rand statt unter der Mitte eines alten Kohlepfeilers einen praxisgerechten und bewährten Weg zu sichererem und zuverlässigerem Zugang unter Tage.

Zitation: Miao, K., Tu, S., Tu, H. et al. Study on reasonable position of mining roadway under repeated mining overburden structure in shallow buried close distance coal seam: A case study. Sci Rep 16, 6440 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37768-5

Schlüsselwörter: Kohlenbergbau, Felsmechanik, Stabilität von Bergwerksfahrwegen, Spannungen in Kohlepfeilern, numerische Simulation