Studie zum Schadensmechanismus der tiefliegenden Einfahrtenauskleidung unter Störung durch zyklische Sprengungen

Warum Bergwerksstollen zusätzlichen Schutz brauchen

Wenn Kohlebergwerke tiefer in die Erde vordringen, werden die Stollen, die die vertikalen Schächte mit den horizontalen Fahrwegen verbinden, zu lebenswichtigen Lebensadern für Luft, Personen und Ausrüstung. Diese Übergänge, sogenannte Einfahrten, sind mit dickem Beton ausgekleidet, um das umgebende Gestein in Schach zu halten. Dennoch kann gerade das Sprengen, das zum Herausarbeiten angrenzender Stollen eingesetzt wird, diese Auskleidung allmählich schwächen und das Risiko von Rissen und langfristiger Instabilität erhöhen. Diese Studie untersucht, wie wiederholte Sprengungen tiefliegende Einfahrtauskleidungen beeinflussen und wie der Einsatz robusterer Betone diese unterirdischen "Engstellen" über die Zeit sicherer machen kann.

Die unterirdische Kreuzung im Risiko

Die Forscher konzentrierten sich auf ein tiefes Kohlebergwerk im Osten Chinas, in dem ein neuer Luftschacht über eine große, komplexe Einfahrt an die horizontalen Stollen angeschlossen wird. Aufgrund seiner Größe, seiner gekrümmten Form und der vielen sich kreuzenden Öffnungen konzentriert diese Kreuzung Spannungen und ist schwer zu sichern. Tunnelbohrmaschinen sind hier nicht praktikabel, weshalb die Ingenieure auf Bohren und Sprengen zur Ausgrabung der angrenzenden Fahrwege angewiesen sind. Nach dem Bau muss die Betonauskleidung um die Einfahrt sowohl dem stetigen Druck des tiefen Gebirges als auch den wiederholten Stoßwellen nahegelegener Sprengungen standhalten. Zu verstehen, wo und wie in dieser Auskleidung Schäden beginnen, ist entscheidend, um sicherere Ausführungspläne zu entwerfen und bessere Materialien auszuwählen.

Sprengungen simulieren statt Fels zu sprengen

Anstatt riskante großmaßstäbliche Feldtests unter Tage durchzuführen, erstellte das Team ein detailliertes dreidimensionales Computermodell der Einfahrt, des umgebenden Mergelgesteins und der Sprengladungen. Mit der Simulationsoftware LS-DYNA rekonstruierten sie sowohl den konstanten Druck durch das tiefe Gebirge als auch die dynamische Belastung durch eine Reihe von Sprengungen in den horizontalen Stollen beidseits des Schachts. Sie verglichen zwei Auskleidungswerkstoffe: konventionellen hochfesten Beton und stahlfaserverstärkten Beton, der ähnlich ist, aber kurze Metallfasern enthält, die helfen, Risse zu überbrücken und zurückzuhalten. Durch Anwendung unterschiedlicher Umgebungsdrücke und Variation der Sprengladung verfolgten sie Spannungen, Vibrationsgeschwindigkeiten und die schrittweise Ansammlung von Schäden in der Auskleidung.

Wo sich Spannungen anhäufen und Risse beginnen

Die Simulationen zeigten, dass bei reinem statischem Gebirgsdruck die schwächsten Stellen in der Auskleidung nicht dort liegen, wo am stärksten gedrückt wird, sondern dort, wo sie in Zug beansprucht werden – besonders an den unteren Ecken und den Seitenwänden des horizontalen Stollens. Mit zunehmendem Einhausungsdruck bleiben die gesamten Druckspannungen deutlich unter der Zerreißgrenze des Betons, aber die Zugspannungen nähern sich einem wesentlichen Teil seiner Kapazität. Wird Sprengen hinzugefügt, gibt es eine klare Mindestladung, eine Schwelle, oberhalb derer Schäden an der Bogenkrone an der Stelle auftreten, wo Schacht und Fahrweg zusammenkommen. Diese Schwelle sinkt, wenn der umgebende Gebirgsdruck steigt, und sie liegt stets höher für den faserverstärkten Beton als für den einfachen hochfesten Beton, was zeigt, dass die Fasern die Auskleidung weniger empfindlich gegenüber Sprengstoßwellen machen.

Wie wiederholte Sprengungen die Auskleidung abnutzen

Indem sie zyklisches Sprengen als schrittweises Vorrücken der Stollensohle modellierten, verfolgten die Forscher, wie sich Vibration und Schaden über die Zeit entwickeln. Die höchsten Partikelgeschwindigkeiten traten in den Bogenbereichen des horizontalen Stollens auf, und die frühen Sprengungen – ungefähr die ersten vier – waren für die stärksten Erschütterungen verantwortlich. Elemente, die zuerst rissen, akkumulierten die meisten Schäden, besonders auf der Seite der Einfahrt, die der initialen starken Sprengung zugewandt war. Eine Sequenz von „zuerst stark, dann schwach“ auf einer Seite verursachte mehr kumulativen Schaden als „zuerst schwach, dann stark“ auf der gegenüberliegenden Seite, weil die anfänglichen Risse späteren Schlägen ermöglichten, den Schaden leichter zu erweitern. Die Simulationen zeigten außerdem eine sichere Distanz: Sobald die vorrückende Sprengungsfront weit genug entfernt war – etwa 26 Meter für die einfache Betonauskleidung und 18,2 Meter für die faserverstärkte Auskleidung – erhöhten weitere Sprengungen den Schaden nicht mehr.

Warum robusterer Beton und vorsichtiges Sprengen wichtig sind

Insgesamt ergab die Studie, dass die stahlfaserverstärkte Betonauskleidung deutlich weniger langfristigen Schaden erlitt als der konventionelle hochfeste Beton. Nach zwei vollständigen Sprengzyklen betrug der Gesamtschaden in der faserverstärkten Auskleidung nur etwa ein Fünfzehntel des Schadens der einfachen Auskleidung. Für Bergwerksplaner und Sicherheitsingenieure bedeutet das zwei Dinge. Erstens kann die Auswahl von Materialien mit besserer Widerstandsfähigkeit gegen Risswachstum – insbesondere mit höherer Zugfestigkeit – die Lebensdauer und Zuverlässigkeit tiefliegender Einfahrten deutlich verlängern. Zweitens lässt sich durch besondere Beachtung der allerersten Sprengungen in der Nähe dieser Strukturen und durch Begrenzung ihrer Ladung der kumulative Schaden, der sich während der Ausgrabung aufbaut, stark reduzieren. Zusammen bieten intelligentere Materialien und vorsichtigere Sprengstrategien einen praktischen Weg zu sichererer Infrastruktur im Tiefbergbau.

Zitation: Li, X., Yao, Z., Liu, X. et al. Study on the damage mechanism of deep ingate lining structure disturbed by cyclic blasting. Sci Rep 16, 8171 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39273-1

Schlüsselwörter: tiefe Bergwerksstollen, Sprengungserschütterung, Schadstoff an Betonauskleidung, stahlfaserverstärkter Beton, Sicherheit bei unterirdischen Ausgrabungen