Stabilität des umgebenden Gebirges in Strecken mit gebrochenem Felsmassiv: Mechanismen und Auswirkungen der Layout‑Optimierung

Warum rissiges Gestein tief unter Tage wichtig ist

Weit unter der Erdoberfläche sind Kohlebergwerke auf lange Tunnel, sogenannte Strecken, angewiesen, die durch festes Gestein getrieben werden. Diese Gänge müssen stabil bleiben, damit Arbeiter sicher passieren und Geräte betrieben werden können. Das Gestein ist jedoch selten makellos: Es wird von natürlichen Rissen und Klüften durchsetzt, die sich unter Belastung ausdehnen und vernetzen können und manchmal zu Einstürzen führen. Diese Untersuchung stellt eine praktische Frage mit lebenswichtiger Bedeutung: Wie verhalten sich diese verborgenen Bruchflächen, wenn Bergwerke in größere Tiefen vordringen, und wie kann die Anordnung der Strecken optimiert werden, um das Versagen des umgebenden Gebirges zu verhindern?

Wie Wissenschaftler gebrochenes Gestein nachstellten

Um dieses Problem kontrolliert zu untersuchen, stellten die Forscher zunächst gesteinsähnliche Proben im Labor her. Statt Naturgestein zu verwenden, das sich nur schwer in gewünschter Weise zu Rissen bringen lässt, vergossen sie Betonblöcke mit einem künstlichen Riss in unterschiedlichen Winkeln, von horizontal bis vertikal. Sie prüften die Güte jeder Probe mit Ultraschallwellen und bestätigten, dass nur der zentrale Bereich eine deutliche Bruchfläche enthielt, während das übrige Material homogen blieb. Diese Proben wurden dann in einer Prüfvorrichtung zusammengedrückt, um zu beobachten, wie und wo neue Risse beginnen, wie sie wachsen und wie die Probe schließlich versagt.

Von Tischplattenproben zum Computergestein

Alleinige Labortests erfassen nicht die volle Komplexität realer Bergwerke, daher erstellte das Team detaillierte Computermodelle der gebrochenen Proben mithilfe eines Verfahrens, das als diskrete Elemente Methode bekannt ist. In diesem virtuellen Gestein ist das Material in viele kleine polygonale Blöcke unterteilt, die gegeneinander gleiten, sich trennen oder zerdrückt werden können – ähnlich wie reale Gesteinskörner. Durch sorgfältige Kalibrierung des Modells, so dass seine Festigkeit und Versagensmuster mit den physikalischen Tests übereinstimmten, konnten die Forscher dem Modell vertrauen, um viel mehr Szenarien zu untersuchen, als es im Labor praktikabel wäre, einschließlich wie unterschiedliche Umgebungsdrücke, wie sie in größeren Tiefen vorkommen, das Risswachstum beeinflussen.

Was mit Rissen unter Druck geschieht

Die Simulationen und Experimente zusammen zeigten, dass der Winkel der ursprünglichen Bruchfläche stark steuert, wie sich Schäden ausbreiten, insbesondere wenn der Riss um etwa 30 bis 60 Grad geneigt ist. In diesem Bereich neigen neue Risse dazu, nahe der bestehenden Bruchfläche zu beginnen und in Richtungen zu wachsen, die sich allmählich an diese anpassen. Wenn der Außendruck zunimmt – vergleichbar mit zunehmender Teufe –, wird die Rissbildung stärker auf die unmittelbare Umgebung der Bruchfläche beschränkt, anstatt sich im gesamten Gestein auszubreiten. Die Gesamtfestigkeit der Proben zeigt einen ausgeprägten V‑förmigen Verlauf in Abhängigkeit vom Bruchwinkel: Das Gestein ist relativ fest, wenn der Riss nahezu horizontal oder vertikal liegt, aber deutlich schwächer bei Zwischenwinkeln, in denen Brüche am leichtesten miteinander verbunden werden.

Planung sicherer Streckenanordnungen

Mit diesem Verständnis auf kleiner Skala wandte sich das Team realen Grubenplanungen mit mehreren benachbarten Strecken zu. Mit ihren validierten Modellen simulierten sie, wie Spannungen durch das Gewicht des Deckgebirges und durch Kohleförderung plastische Zonen – Bereiche, in denen das Gestein nachgegeben und aufgeklüftet ist – um jede Strecke bilden. Sie stellten fest, dass mit steigendem Gesamtspannungsniveau die Verformungen schnell zunehmen und die plastischen Zonen sich vertiefen. Wenn zwei Strecken zu dicht beieinanderliegen, können sich diese geschädigten Zonen verbinden und eine große geschwächte Region bilden, die beide Gänge gefährdet. Feldbohrbildaufnahmen aus einem betriebenen Kohlebergwerk bestätigten das Modellbild: Der flache Firstbereich über eng beieinanderliegenden Strecken war stark aufgeklüftet, während tieferes Gestein vergleichsweise intakt blieb.

Was das für die Sicherheit in Kohlebergwerken bedeutet

Die Studie kommt zu dem Schluss, dass es eine praktische Faustregel für sicherere Planung gibt: Ein Abstand zwischen Hauptstrecken von mehr als etwa dem Fünffachen des Streckenradius (oder grob mehr als 15 Metern im hier untersuchten Fall) hilft, das Überlappen von Bruchzonen zu verhindern und verbessert die langfristige Stabilität. Sie hebt außerdem hervor, dass hohe natürliche Gebirgsspannungen in Kombination mit den zusätzlichen durch den Bergbau erzeugten Spannungen die Haupttreiber für Risswachstum und sich vertiefende Schäden sind. Praktisch gesagt zeigt diese Arbeit, wie eine sorgfältige Planung der Tunnelpositionen – gestützt auf Experimente und realistische Simulationen – das Risiko von Gebirgsversagen deutlich reduzieren, Arbeiter schützen und Wartungskosten in tiefen Kohlebergwerken und ähnlichen Untertageprojekten senken kann.

Zitation: Hao, H., Tian, B., Li, G. et al. Stability of surrounding rock in roadways with fractured rock mass: mechanisms and effects of layout optimization. Sci Rep 16, 6999 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38202-6

Schlüsselwörter: Strecken in Kohlebergwerken, gebrochener Fels, Untertagestabilität, Streckenspacing, diskrete Elemente Modellierung