Experimentelle Studie und ingenieurtechnische Anwendung der Bolzenverankerung bei großflächigem gleitendem Kohlenstaub im Kohlekörper

Den Untergrund zurückhalten

Tief unter der Erde sind Kohlebergwerke keine ruhigen, stabilen Orte. Gesteinsschichten drücken und verschieben sich, und manchmal schießt die Kohlenwand neben einem Stollen in einem gefährlichen Ruck nach innen — ein Ereignis, das als Kohlenstoß bekannt ist. Diese Studie untersucht eine besondere Art von Ereignis, bei dem eine große Platte Kohle in den Stollen gleitet, während Dach und Sohlen fast unversehrt bleiben. Die Autoren zeigen, dass die Art und Weise, wie Metallbolzen in der Kohlenwand eingebracht werden — insbesondere ihr Winkel und ihr Durchmesser — den Unterschied zwischen einem gewalttätigen Einsturz und einer stabilen Strecke ausmachen kann, und sie testen ein neues Sicherungskonzept in einem realen Bergwerk.

Wenn Kohle wie ein Teppich rutscht

Bei der hier betrachteten Unfallart kann die gesamte Kohlenwand neben dem Stollen plötzlich vorstürmen und den Durchgang blockieren, ohne dass Dach oder Sohle zermalmt werden. Die eingebrachten Bolzen und das Drahtgeflecht können dabei weitgehend unbeschädigt aussehen. Das Problem liegt an der verborgenen Kontaktfläche zwischen Kohle und Nebengestein: Wenn sich Spannung aufbaut und plötzlich freigesetzt wird, kann die Kohle entlang dieser glatten Ebene gleiten, ähnlich wie ein Teppich auf einem polierten Boden verrutscht. Um Bergleute zu schützen, muss das Sicherungssystem diese Kontaktfläche verstärken und einen Teil der freigesetzten Energie aufnehmen, statt nur zu versuchen, die Kohle starr festzupinnen.

Bolzen im Labor testen

Um zu verstehen, wie Bolzenentwurf diesem Gleiten besser widerstehen kann, bauten die Forscher eine Stahlform, die zwei Gesteinsblöcke mit einem Spalt dazwischen nachbildet und so die Kohle–Gesteins-Schnittstelle simuliert. Sie verwendeten Metallstäbe aus zwei Legierungen in drei unterschiedlichen Durchmessern als Stellvertreter für Bolzen und führten kontrollierte Zugversuche durch. Die Stäbe wurden in vier Winkeln zur Gleitrichtung installiert: 30°, 45°, 60° und quer bei 90°. Indem sie die Formhälften in einer Prüfmaschine auseinanderzogen, konnten sie beobachten, wie die Stäbe versagten, und messen, welche Kräfte und welche Energiemengen jede Anordnung vor dem Bruch aushielt.

Warum Winkel und Durchmesser wichtig sind

Die Experimente zeigten ein klares Muster. Befanden sich die Stäbe in 30°- oder 45°-Winkel zur Gleitrichtung, dehnten sie sich und rissen schließlich durch Zugversagen, ähnlich wie ein Draht, der bis zum Bruch gezogen wird. In diesen Fällen trugen die Stäbe höhere Lasten und nahmen vor dem Versagen mehr Energie auf. Bei steileren Winkeln von 60° und 90° wurden die Stäbe eher durch das Gleiten abgeschnitten — ein scherverursachtes Versagen, das weniger Kraft erforderte und weniger Energie speicherte. Über alle Winkel hinweg trugen dickere Stäbe konstant mehr Last und absorbierten mehr Energie als dünnere. Unter den getesteten Konfigurationen lieferten Stäbe in etwa 45° den besten Gesamteindruck, da sie eine günstige Versagensart mit hoher Festigkeit und Energieaufnahme kombinierten.

Vom Modell ins Bergwerk

Das Team wandte diese Erkenntnisse anschließend an der Abbaustrecke 7305 des Kongzhuang-Kohlebergwerks in China an — einer tiefen Anlage mit hohen Gebirgsdruckverhältnissen und bekanntem Risiko für Kohlenstöße. Die Rückstrecke — ein wichtiger Stollen für Belüftung und Zugang — war ursprünglich mit einem Standardmuster aus Dachankern, Seitenbolzen, Ankerseilen und Stahlgewebe gesichert. Auf Basis ihrer Tests entwarfen die Ingenieure das Bolzenlayout so um, dass viele Bolzen die Kohle–Gesteins-Kontaktfläche unter Winkeln von nicht mehr als 45° durchkreuzten und ihre Verankerungsabschnitte festen Dach- oder Sohlegestein erreichten. So entstand ein dreidimensionaler Käfig um die Kohlenwand, der die Reibung entlang der Glebfläche erhöhte, konzentrierte Spannungen verteilte und eine eingebaute Möglichkeit schuf, dass die Bolzen sich während eines Rucks dehnen und Energie aufnehmen, anstatt spröde zu brechen.

Sichere Wege unter Tage

Der Feldeinsatz des neuen Sicherungsschemas verringerte großflächige Kohlenrutsche in den Stollen deutlich und verbesserte die Stabilität der Strecke — und das ohne den Einsatz exotischer neuer Bauteile oder erheblicher Mehrkosten. Für Nichtfachleute ist die Hauptbotschaft klar: Durch die sorgfältige Wahl des Bolzendurchmessers und vor allem des Winkels, in dem sie die wahrscheinlich gleitende Fläche durchdringen, können Bergbauingenieure ein starres, ausfallgefährdetes Sicherungssystem in eines verwandeln, das sich eher wie ein Stoßdämpfer verhält. Zwar muss die Methode noch für andere Typen von Kohlenstößen geprüft werden, doch sie bietet einen praktischen Weg zu sichereren, zuverlässigeren Untertagestrecken in tiefen Kohlebergwerken.

Zitation: Wang, C., Ma, S. Experimental study and engineering application of bolt support based on large-scale sliding coal bump in coal body. Sci Rep 16, 9766 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38743-w

Schlüsselwörter: Kohlenstoß, Felsbolzen, Untertage-Streckenverbau, Bergwerksicherheit, energieabsorbierende Sicherung