Forschung zur Steuerung des umgebenden Gebirges bei Dachaufschlag und Druckentlastung für straßenrandiges Auffüllen bei Erhaltung von Gob-Nebenfahrstrecken in Abbauschnitten mit großer Abbauhöhe

Unterirdische Strecken offen und sicher halten

Tiefe Untertagekohlenbergwerke sind auf lange Strecken angewiesen, um Personen, Geräte und Kohle zu transportieren. Sobald die Kohle jedoch entfernt ist, kann sich das darüberliegende Gebirge verschieben und diese Strecken zusammendrücken, was erhebliche Sicherheitsrisiken und wirtschaftliche Verluste verursacht. Diese Studie konzentriert sich auf ein chinesisches Bergwerk und stellt eine praktische Frage: Wie können Ingenieure den ausgentommenen Bereich und die Ausbaumaßnahmen so entwerfen, dass eine wichtige Strecke für die nächste Abbauphase sicher offen bleibt, anstatt aufgegeben und komplett neu aufgefahren werden zu müssen?

Warum das Belassen einer Strecke wichtig ist

Moderne Bergwerke nutzen häufig sehr hohe Abbauschnitte, die dicke Kohleschichten in einem Zug entfernen, was die Produktion steigert, aber auch das umgebende Gebirge stark stört. Traditionell lassen Bergleute einen dicken Kohlepfeiler stehen, um benachbarte Strecken zu schützen. Dieser Pfeiler bindet jedoch wertvolle Kohle im Boden und erfordert zusätzlichen Vortrieb. Die Technik des Gob-seitigen Erhalts der Fahrstrecke bietet eine schlauere Alternative: Man behält eine Strecke direkt neben der kollabierten Abbauzone (dem „Gob“) und ersetzt den Kohlepfeiler durch eine speziell gebaute Straßenrandwand. Wenn diese Strecke stabil bleiben kann, gewinnt das Bergwerk mehr Kohle zurück, reduziert Erschließungskosten und steigert die Gesamteffizienz.

Wenn Gebirge und Wand überfordert sind

Die Autorinnen und Autoren analysieren, was schiefgeht, wenn man sich allein auf die Straßenrandwand verlässt. In hohen, weiten Schnitten biegen und brechen die darüberliegenden Gesteinsschichten über eine größere Spannweite, wodurch starke, sich verändernde Belastungen entstehen. Die schmale Wand muss einen Großteil dieser Last aufnehmen. Ist die Wand zwar stark, aber zu starr, können sich extreme Spannungen im Inneren aufbauen, die zu Rissbildung oder Spaltung führen. Ist sie schwächer, kann sie sich nach außen wölben und den Hohlraum zusammendrücken, sodass Dach und Seitenwände nach innen gedrückt werden. In anderen Fällen führt eine starke Wand kombiniert mit einem schwachen Dach dazu, dass das Gestein über der Strecke abschert und absackt, was zu lokalen Sturzschlägen führt. Kurz: Eine einfache Wand neben dem Gob reicht nicht aus, um die heftigen Bewegungen des Gebirges über einer stark abgebauten Flözschicht auszugleichen.

Dachaufschlag, um die Last zu kontrollieren

Um dieses Problem anzugehen, befürworten die Forschenden einen kombinierten Ansatz, den sie „verstärkter Ausbau plus Druckentlastung durch Dachaufschlag“ nennen. Die Idee ist, gezielt einen schräg verlaufenden Schlitz durch das harte Gestein über der Strecke auf der Gob-Seite einzubringen. Dieser Schnitt schwächt die Verbindung zwischen Streckendach und wichtigen Gesteinsschichten, lenkt das Brechen und Einfallen des überlagernden Gebirges zur ausgefaulten Seite und verhindert, dass es wie ein großer, starrer Träger über der Fahrstraße hängt. Gleichzeitig wird die Strecke selbst mit einem dichten Gefüge aus Ankerbolzen, Stahlseilen, hydraulischen Stützen und einer tragfähigen, zugleich etwas nachgiebigen Beton-Straßenrandwand verstärkt.

Das Optimum per virtueller Tests finden

Mithilfe dreidimensionaler Computersimulationen, die an das reale Bergwerk (Schnitt 2507) kalibriert wurden, variierten die Forschenden drei Gestaltungsparameter: die Höhe des Dachaufschlags, den Winkel des Schnitts und die Breite der Straßenrandwand. Sie verfolgten eine Größe namens Deviatorische Spannung — ein kombiniertes Maß dafür, wie stark das Gestein verformt wird — um zu erkennen, wo das Gebirge am ehesten versagt. Die Simulationen zeigten, dass ein Dachaufschlag von etwa 15 Metern, der rund 70 Prozent der Hauptdachschicht erreicht, die Spannungen um die Strecke deutlich senkt. Ein Schnittwinkel von 15 Grad führte zu einer ausgewogenen Lastverteilung zwischen der festen Kohleseite und der Straßenrandwand und förderte ein geordnetes Einfallen des Gesteins in den Gob statt gefährlicher Hängeblöcke. Bei der Wand waren Breiten von 0,5 bis 1,0 Metern zu schwach und führten zu starker Verformung, während eine Breite von etwa 1,5 Metern die beste Kombination aus Festigkeit und Anpassungsfähigkeit ergab.

Beleg durch Feldüberwachung

Das optimierte Konzept wurde anschließend im Bergwerk erprobt. Messinstrumente erfassten Dachbewegungen, Kräfte in den Ankerseilen und Druck auf die Betonwand, während das Abbaugesicht voranschritt und die gob-seitige Strecke zurückblieb. Das Durchhängen des Dachs auf der Dachaufschlag-Seite blieb unter etwa 120 Millimetern, und die Seilkräfte sowie Wanddrücke stiegen auf Spitzenwerte und flachten dann unterhalb der Bemessungsgrenzen ab. Dieses Verhalten zeigte, dass der Dachaufschlag die direkt von der Strecke getragene Last erfolgreich reduzierte und dass die verstärkten Ausbauten zusammenarbeiteten, ohne überlastet zu werden oder plötzlich zu versagen.

Was das für sichereren, effizienteren Bergbau bedeutet

Für Nicht-Fachleute lautet die Schlussfolgerung: Durchdachtes Vorbrechen harten Gesteins über einer Strecke in Kombination mit robustem, aber nachgiebigem Ausbau kann dafür sorgen, dass wichtige Untertagefahrstraßen offen bleiben, selbst wenn in der Nähe riesige Kohleschollen entfernt werden. Mit der richtigen Wahl von Schnitt- höhe, Schnittwinkel und Wandbreite lässt sich steuern, wie das Gebirge bricht und wie die Last verteilt wird. In diesem Fall ergab ein 15 Meter hoher, 15 Grad geneigter Dachaufschlag in Verbindung mit einer 1,5 Meter breiten Straßenrandwand eine stabile, wiederverwendbare Strecke neben dem Gob. Das bedeutet mehr zurückgewonnene Kohle, weniger neuen Vortrieb und ein sichereres Arbeitsumfeld für Bergleute in großen Tiefen.

Zitation: Weiyong, L., Shengjun, L., Yaohui, S. et al. Research on surrounding rock control technology of roof cutting and pressure relieving for roadside filling in gob-side entry retaining of large mining height panel. Sci Rep 16, 6698 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37916-x

Schlüsselwörter: Kohlenbergbau, Gebirgsverankerung, Dachaufschlag, Gob-Nebenfahrstrecke, Untertage-Stabilität