Studie zu Verformungsmerkmalen und Stütztechnik von Fahrstrecken im tiefen, komplexen Spannungsfeld

Warum Tiefbergwerksstollen uns alle betreffen

Ein Großteil der Elektrizität und der industriellen Brennstoffe, auf die wir angewiesen sind, stammt nach wie vor aus Kohle, die weit unter der Erdoberfläche abgebaut wird. Wenn Bergwerke zur Erschließung verbliebener Flöze immer tiefer gehen, müssen die Stollen, die Arbeiter, Geräte und Kohle transportieren, enormen Drücken des umgebenden Gebirges standhalten. Wenn dieses Gebirge nachgibt oder einstürzt, kann das teure Reparaturen, Produktionsausfälle oder tödliche Unfälle nach sich ziehen. Diese Studie untersucht, warum Fahrstrecken in tiefen, kompliziert angelegten unterirdischen Netzen so stark verformen, und stellt eine neue Methode vor, um diese Lebensadern stabil und sicher zu halten.

Ein Labyrinth von Stollen unter extremem Druck

Die Forschenden konzentrierten sich auf ein Kohlebergwerk, dessen Hauptstollen mehr als 800 Meter unter der Erde liegen und ein dreidimensionales Labyrinth bilden. Förderbahnen, Bandstrecken, Lagerbunker und Verbindungspassagen kreuzen sich in vielen Winkeln und in unterschiedlichen Größen. Diese Kreuzungen, insbesondere große Abschnitte, die als „Bull-Nose“ bezeichnet werden, stören das natürliche Spannungsfeld im umgebenden Fels. Statt einer einfachen, gleichmäßigen Belastung eines geraden Stollens erfährt das Gestein an Schnittstellen überlagerte Schub- und Zugwirkungen aus mehreren Richtungen, was Vorhersage und Beherrschung deutlich erschwert.

Wie und wo das Gestein zu versagen beginnt

Um dieses verborgene Verhalten zu verstehen, erstellte das Team ein detailliertes dreidimensionales Computermodell des Stollennetzes und der Gesteinsschichten. Sie simulierten das Aushöhlen jeder Fahrstrecke und beobachteten die Reaktion des Gebirges. Das Modell zeigte sogenannte „plastische Zonen“ – Bereiche um die Stollen, in denen das Gestein über seine Festigkeit hinaus beansprucht wurde und sich dauerhaft zu verformen beginnt. In geraden Stollenabschnitten waren diese geschädigten Zonen einige Meter dick. An komplexen Kreuzungen jedoch überlappten und erweiterten sich die geschwächten Bereiche aus verschiedenen Stollen und erreichten Tiefen von bis zu 6,6 Metern in den Fels. Diese „Überlagerungs-Ausdehnung“ führt dazu, dass der tragende Felsbogen deutlich dicker, lockerer und schwerer beherrschbar wird.

Spannungsmuster, die die Stollenverformung antreiben

Über die reine Kartierung von Schäden hinaus untersuchten die Forschenden, wie sich die Form des Spannungsfeldes um die Stollen verändert. Sie konzentrierten sich auf eine Größe namens Deviatorische Spannung, die erfasst, wie stark das Gestein in seiner Form verzerrt wird, statt nur Druck zu erfahren. In einfachen, geraden Stollen bildeten sich hohe deviatorische Spannungen in zwei sichelförmigen Zonen beidseits der Öffnung, nahe der Wand. An Kreuzungen jedoch wurden diese Sichelzonen breiter, verschoben sich tiefer in den Fels und zeigten starke Seitenasymmetrien. Dort, wo die deviatorische Spannung ihren Höhepunkt erreichte, verdickte sich auch die plastische (geschädigte) Zone. Die Studie quantifizierte diese Verbindung: Überschritt diese Spannung etwa 12,6 Megapascal, wuchs die geschädigte Zone auf die vollen 6,6 Meter. Praktisch bedeutet das: Stellen, an denen Stollen kreuzen, sind genau die Bereiche, in denen das Gestein am ehesten reißen, sich verformen und die Sicherungssysteme gefährden wird.

Eine dreistufige Stützstrategie für sicherere Stollen

Da traditionelle einstufige Sicherungen solchen Bedingungen nicht gewachsen sind, entwarfen die Autorinnen und Autoren ein neues „kooperatives“ Stützsystem, zugeschnitten auf tiefe, komplexe Stollennetze. Zunächst wird das frisch ausgebrochene Gebirge zügig mit einer Spritzbetonschicht abgedichtet, gefolgt von Kurzankern, die den oberflächennahen Fels zusammenhalten, und anschließend weiterer Betonschichten. Zweitens werden lange Verankerungskabel in versetztem Muster eingebracht, die über die 6,6 Meter große Schadzone hinaus in stabileren Fels reichen und überlappende Druckbögen erzeugen, sodass Fels und Stütze gemeinsam Lasten aufnehmen. Schließlich injiziert man mit Hochdruck Verpressungen eine Zementsuspension in Risse, bindet gebrochenes Gestein und verbessert den Kontakt zwischen Fels und Ankern. Dieser gestaffelte, mehrschichtige Ansatz ist zeitlich auf das Versagensverhalten des Gesteins abgestimmt – von frühen Oberflächenrissen bis zu tiefer liegenden Scherenschäden – sodass jede Schicht die nächste verstärkt.

Ergebnisse aus einem realen Betrieb

Das neue System wurde in demselben tiefen Bergwerk erprobt, das als Fallstudie diente. Das Team überwachte über mehrere Monate die Bewegungen von Dach, Sohlen und Wänden wichtiger Stollen und maß die Lasten in den Verankerungskabeln. Im Vergleich zum vorherigen Stützkonzept des Bergwerks halbierten sich die kombinierten Verformungen von Dach und Sohle annähernd, und die Seitlichkonvergenz der Wände nahm in ähnlichem Maße ab. Die Zeit bis zum Erreichen einer stabilen Stollenform sank auf etwa 45 Tage, und die Kräfte in den Kabeln blieben deutlich unter ihren zulässigen Grenzen. Für die nicht fachliche Leserschaft lautet die Schlussfolgerung: Sorgfältig entworfene, mehrschichtige Sicherungen können ein gefährlich instabiles tiefes Stollennetz in eine beherrschbare, langlebige Struktur verwandeln – und damit die Sicherheit der Bergleute und die Zuverlässigkeit der Energiesysteme verbessern, die auf diese unterirdischen Wege angewiesen sind.

Zitation: Li, Sj., Lu, Wy., Ma, Xc. et al. Study on deformation characteristics and support technology of roadway in deep complex stress field. Sci Rep 16, 7373 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38267-3

Schlüsselwörter: tiefbau unter Tage, Stabilität von Tunneln, Felsverankerungssysteme, Bergbautechnische Fahrstrecken, unterirdisches Spannungsfeld