Instabilitätsmechanismus der tief liegenden Kohlenflözsohle unter Bergbaueinfluss und Optimierung der Anordnung von Abbauminenfahrten

Warum sicherere Bergwerksstollen wichtig sind

Tiefe Untertage-Kohlebergwerke erzeugen weit mehr als nur Brennstoff; sie schaffen auch komplexe Druckmuster im umgebenden Gestein. Wenn diese Drücke aus dem Gleichgewicht geraten, kann die Sohle aufreißen, Wasser eindringen, Gas entweichen und die für die Bergleute wichtigen Stollen sich verformen oder einstürzen. Diese Studie untersucht, wie das Gestein unter einem sehr tiefen Kohlenflöz reagiert, wenn Kohle entnommen wird, und wie Bergwerksplaner Gasableitungsstollen so platzieren können, dass sowohl Menschen als auch Infrastruktur besser geschützt bleiben.

Wie der Bergbau das Gestein zusammendrückt

Wenn über längere Strecken Kohle abgebaut wird, bleibt ein Hohlraum, der sogenannte Ausbruch bzw. die Gesteinsbrüche (Gob/Goaf), zurück und das darüberliegende Gebirge bricht schließlich ein. Das Gewicht des überlagernden Gesteins verschwindet nicht, sondern verteilt sich neu auf die verbleibenden Kohlesäulen und in die Sohle. Mit einem vereinfachten physikalischen Modell, das die Sohle als kontinuierlichen Halbraum aus Gestein behandelt, berechneten die Autorinnen und Autoren, wie sich vertikale, horizontale und Schubspannungen unterhalb des abgebauten Bereichs ausbreiten. Sie fanden heraus, dass die vertikale Spannung unmittelbar unter den Kohlesäulen am höchsten ist und mit der Tiefe abnimmt: in den ersten fünf Metern stark und dann langsamer. Tief in der Sohle nähert sich die Spannung wieder dem natürlichen Niveau, das vor dem Bergbau bestand.

Ein charakteristisches unterirdisches Spannungsmuster

Für ein reales Bergwerk in der Provinz Shanxi, China, setzte das Team lokale Gesteinseigenschaften und die Teufe – etwa 730 Meter unter Tage – in ihre Gleichungen ein und nutzte anschließend numerische Simulationen zur Überprüfung. Beide Ansätze zeigten, dass die vertikale Spannung unter der ausgeräumten Zone quer zur Sohle ein charakteristisches „M‑förmiges“ Muster bildet: zwei hohe Spitzen unter den Kohlesäulen und eine niedrigere Mulde unter der Mitte des Ausbruchs. Mit zunehmender Teufe verringern sich diese Spitzen und das Spannungsfeld wird gleichmäßiger. Die Berechnungen zeigten außerdem, dass der schnellste Abfall der zusätzlichen Spannung in etwa 10 Metern Sohle stattfindet. Jenseits dieser Tiefe verblassen die bergbaubedingten Störungen und das Gestein verhält sich mehr wie ungestörter Untergrund.

Wahl der besten Tiefe und Position

Da Gasabsaugungsstollen in der Sohle unter dem Flöz liegen müssen, ist ihre Lage in Bezug auf dieses sich verändernde Spannungsfeld entscheidend. Mithilfe einer etablierten Gesteinsbruchformel schätzten die Autorinnen und Autoren, dass der Bergbau die Sohle bis etwa 16,5 Meter schädigen könnte. Um unter dieser zerrütteten Zone zu bleiben, aber dennoch nahe genug für eine effektive Gasförderung, wählten sie eine Stollenteufe von 17 Metern unter dem Flöz. Anschließend testeten sie vier verschiedene horizontale Positionen in Computermodellen: direkt unter der Mitte des abgebauten Bereichs, leicht innerhalb der Kohlesäule, genau unter dem Säulenrand und 30 Meter außerhalb der Säule. Für jeden Fall untersuchten sie die Spitzenwerte der vertikalen und horizontalen Spannungen sowie Größe und Form der plastischen (dauerhaft beschädigten) Gesteinszonen um den Stollen.

Den ruhigsten Platz unter Tage finden

Die Simulationen zeigten, dass jede Stollenlage ein sehr unterschiedliches Spannungsumfeld erfährt. Ein direkt unter der Abbaufront platzierter Stollen trifft auf hohe vertikale und horizontale Belastungen und eine große, schmetterlingsförmige Schadzone im umgebenden Gestein. Wird der Stollen innerhalb der Kohlesäule nach innen verlegt, reduziert sich die vertikale Spannung, es können jedoch weiterhin erhebliche Schädigungen ober- und unterhalb verbleiben. Die Platzierung genau am Säulenrand erzeugt seitlich ungleichmäßige Spannungen, was asymmetrische Verformungen begünstigt. Im Gegensatz dazu liegt der Stollen, der 30 Meter außerhalb der Kohlesäule versetzt ist, in einer vergleichsweise ruhigen Zone: sowohl die Spitzen der vertikalen als auch der horizontalen Spannung sind geringer, und die beschädigte Gesteinsschale ist mit etwa 2 Metern Dicke die kleinste aller Varianten.

Prüfungen im realen Bergwerk

Um zu testen, ob das Design in der Praxis funktioniert, überwachten die Forschenden einen Gasabsaugungsstollen, der 17 Meter unter der Sohle und 30 Meter versetzt von der Kohlesäule im Shanxi-Bergwerk angelegt worden war. Mit Ultraschallsonden und Bohrlochkameras maßen sie, wie weit sich Risse in das umgebende Gestein erstreckten, und verfolgten die Bewegungen von Stollenwänden, -dach und -sohle über die Zeit. Die zerrüttete Zone erreichte maximal etwa 1,9 Meter – sehr nahe an der durch die Simulationen vorhergesagten Tiefe von 2 Metern – und die Verformungen des Stollens verlangsamten sich und stabilisierten sich nach einigen Wochen innerhalb akzeptabler Grenzen. Diese enge Übereinstimmung von Theorie, Computermodellen und Felddaten stärkt das Vertrauen, dass die vorgeschlagene Anordnung eine robuste Möglichkeit bietet, tiefe Abbauminenfahrten stabil zu halten und zugleich die Anforderungen an die Gasabsaugung zu erfüllen.

Was das für den zukünftigen Bergbau bedeutet

Praktisch zeigt die Studie, dass die Platzierung eines Stollens unter einem Kohlenflöz den Unterschied zwischen einem langsam beruhigenden Durchgang und einem stark beschädigten Stollen ausmachen kann. Indem Ingenieure verstehen, wie der Bergbau die verborgene „Drucklandschaft“ in der Sohle umgestaltet, können sie Fahrten bewusst jenseits der Zonen stärkster Quetschung und Aufrissbildung platzieren. Für tiefe, hochbeanspruchte Kohlenflöze ähnlich denen in Shanxi scheint das Anlegen von Abbauminenfahrten etwa 17 Meter unter der Sohle und rund 30 Meter Abstand zu den Kohlesäulen eine sichere und wirtschaftliche Kompromisslösung zwischen Gasbeherrschung und struktureller Stabilität zu bieten.

Zitation: Chen, X., Ma, R., Zhou, Y. et al. Instability mechanism of deeply buried coal seam floor under mining effects and optimization of extraction roadway layout. Sci Rep 16, 8558 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39341-6

Schlüsselwörter: Tiefbergbau von Kohle, Stabilität der Gesteinssohle, Gasabsaugungsfahrstollen, Spannungsumverteilung, Bergwerksicherheit