Die Bedeutung von Strukturkohle für regionale Kohle‑ und Gasausbrüche im südlichen Kohlenrevier von Sichuan

Verborgene Gefahren unter den Kohlefeldern

Tief unter den Hügeln im südlichen Sichuan, China, arbeiten Bergleute in Kohleflözen, die mit Hochdruckgas geladen sind. Wenn dieses Gas plötzlich zusammen mit Kohle ausbricht, kann es Hunderte oder sogar Tausende Tonnen Gestein in Sekundenschnelle in Stollen schleudern. Diese Studie stellt eine praktische Frage mit lebenswichtiger Bedeutung: Lassen sich anhand der Struktur der Kohle selbst diejenigen Bereiche vorhersagen, in denen solche gewaltsamen Kohle‑Gas‑Ausbrüche am wahrscheinlichsten sind, noch bevor Bergwerke aufgefahren werden?

Eine gestörte Landschaft aus Falten und Verwerfungen

Das südliche Sichuan‑Kohlenrevier ist geologisch komplex, von weiten Falten durchzogen und von zahlreichen Verwerfungen gekreuzt. Die Autor:innen zeigen, dass diese Architektur maßgeblich beeinflusst, wo sich Gas anhäuft. Flache Flanken großer Falten und Zonen um verdeckte, enge Verwerfungen neigen dazu, Gas einzuschließen, während benachbarte wasserführende Gesteine es gelegentlich ableiten können. Mit zunehmender Teufe der Flöze steigt der Gesteinsdruck, was die natürlichen Fluchtwege des Gases verschließt und den Weg zur Oberfläche verlängert — Faktoren, die Gasgehalt und die Wahrscheinlichkeit gefährlicher Ausbrüche erhöhen. In dieser Region werden mehr als vier von fünf Bergwerken als gasreich oder ausbruchgefährdet eingestuft, und einzelne Ereignisse haben bereits bis zu 3.100 Tonnen Kohle und Gestein ausgeworfen.

Wenn feste Kohle zur Strukturkohle wird

Im Mittelpunkt der Studie steht die „Strukturkohle“ – Kohle, die durch tektonische Kräfte zermalmt, verschert oder aufgeweicht wurde. Im Vergleich zu intakten Blöcken ist diese geschädigte Kohle schwächer, stärker zerrissen und reicher an Poren und Rissen. Das erleichtert die Aufnahme und Speicherung von Gas, macht die Kohle aber auch anfälliger für plötzliche Versagen bei Störungen. Anhand von Bohrkernproben aus drei Abbaubezirken quantifizierten die Forschenden, wie der Anteil an Strukturkohle innerhalb eines Flözes mit zwei gängigen Warnindikatoren zusammenhängt: dem Festigkeitskoeffizienten f (ein Maß für die Festigkeit der Kohle) und dem kombinierten Ausbruchsindex K. Wo Strukturkohle einen größeren Anteil des Flözes ausmacht, sinkt f und steigt K — ein Signal für weichere, instabilere Kohle, die für gewaltsame Gasfreisetzung prädestiniert ist.

Dicke als Auslöser für gewaltsame Ausbrüche

Über den Gesamtanteil der geschädigten Kohle hinaus erwies sich die Dicke einzelner Strukturkohlagen als entscheidend. Anhand von Aufzeichnungen mehrerer Bergwerke stellten die Autoren fest, dass die Ausbruchsintensität exponentiell zunimmt, wenn die dickste einzelne Strukturkohlelage wächst. Ist diese Lage dünner als etwa 1,1 Meter, bleiben Ausbrüche meist klein bis mäßig und betreffen weniger als 500 Tonnen Material. Zwischen 1,1 und 1,25 Metern werden große Ausbrüche häufig. Überschreitet die Strukturkohle grob 1,25 Meter, sind außergewöhnlich schwere Ereignisse – oft über 1.000 Tonnen – wahrscheinlich. Anders gesagt: Je dicker die schwache, zerrissene Kohleschicht, desto mehr Energie kann gespeichert und plötzlich freigesetzt werden.

Bohrlochmessdaten in eine Gefahrenkarte verwandeln

Um von vereinzelten Bohrlöchern zu einer regionalen Prognose zu kommen, nutzten die Autor:innen moderne Bohrlochmessungen. Mit dem digitalen JGS‑6‑Logging‑System erfassten sie, wie elektrische Signale und Strahlung auf Änderungen der Gesteinseigenschaften reagieren. Strukturkohle mit ihrem höheren Wassergehalt und der charakteristischen Dichte erzeugt in diesen Logs ein typisches Muster: geringere scheinbare Resistivität, niedrige Gamma‑Ray‑Anomalien und subtile Verschiebungen in Dichteschwankungen. Durch die Standardisierung der Interpretation dieser Signaturen schätzte das Team die Dicke der Strukturkohle im gesamten Kohlenrevier und setzte diese Werte in ihre mathematischen Zusammenhänge zu f, K und Ausbruchsintensität ein. Die prognostizierten Werte stimmten gut mit Felddaten überein, mit durchschnittlichen Abweichungen von weniger als einem Prozent bei Schlüsselindikatoren und gleicher Größenordnung bei den tatsächlichen Ausbruchsgrößen.

Vom wissenschaftlichen Modell zu sichereren Bergwerken

Kombiniert man geologische Kartierung, Bohrlochdaten und Logging‑Interpretation, so erhielten die Autor:innen eine zonierte Gefahrenkarte für das südliche Sichuan‑Kohlenrevier. Gebiete wie Daxueshan und Baijiao treten als extreme Ausbruchs‑Hotspots hervor, mit potenziellen Ereignissen bis nahe 9.000 Tonnen, während Guanwen und Shiping für große Ausbrüche markiert sind und andere Bezirke eher kleinere Ereignisse erwarten lassen. Für Nichtfachleute ist die Schlussfolgerung eindeutig: Durch sorgfältige Messung, wie stark und wie dick bestimmte Kohleschichten vor dem Abbau sind, können Ingenieur:innen vorhersehen, wo der Untergrund am ehesten detonieren wird, und die Maßnahmen zur Gasableitung, Sicherung und Überwachung priorisieren. Die Arbeit beseitigt nicht alle Unsicherheiten – Faktoren wie sich ändernde Spannungsverhältnisse und begrenzte Daten bleiben relevant – bietet aber einen konkreten, datenbasierten Weg, um den Tiefbergbau in dieser gefährlichen Region deutlich sicherer zu machen.

Zitation: Sun, W., Zhao, Q., Cui, D. et al. The significance of structural coal in regional coal and gas outbursts in southern Sichuan Coalfield. Sci Rep 16, 6779 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39480-w

Schlüsselwörter: Sicherheit im Bergbau, Gasausbruch, Strukturkohle, geophysikalische Bohrlochmessungen, Sichuan‑Kohlenrevier