Mechanismus und ingenieurmäßige Praxis zur Dachstabilität bei der sekundären Gob-Seiten-Streckenhaltung in Tiefbergwerken

Warum es wichtig ist, Strecken offen zu halten

Tiefe untertägige Kohlebergwerke sind auf ein Netz von Strecken angewiesen, um Personen, Luft und Gerät zu transportieren. Üblicherweise werden viele dieser Strecken aufgegeben und beim Vorstoß neue aufgefahren, was kostenintensiv und risikobehaftet ist. Diese Studie untersucht einen intelligenteren Ansatz, vorhandene Strecken in sehr tiefen Gruben sicher wiederzuverwenden, Kosten zu senken und das auszuhebende Gesteinsvolumen zu reduzieren, während gleichzeitig Arbeiter vor Dachbrüchen und gefährlichen Gebirgsbewegungen geschützt werden.

Strecken wiederverwenden statt aufgeben

Beim Abbau einer Kohlebank entsteht eine leere, eingestürzte Zone, der Gob (Ausraum), und daneben verbleibt eine Fahrstraße. Übliche Praxis besteht oft darin, diese Fahrstraße nach einmaligem Gebrauch aufzugeben. Die Autoren konzentrieren sich auf ein neueres Konzept, die sekundäre Gob-Seiten-Streckenhaltung, bei der dieselbe Fahrstraße als dauerhafte Luftstrecke für das nächste Abbaufeld wiederverwendet wird. Der zentrale Schritt besteht darin, entlang der neuen Gob-Kante eine zweite künstliche Wand aus Verfüllmaterial zu errichten, sodass die Fahrstraße letztlich zwischen zwei menschengemachten Wänden liegt. Diese Anordnung erlaubt flexiblere „Y‑förmige“ Belüftung in gasreichen Bereichen und vermindert den Bedarf, neue Strecken aufzufahren, was Kosten und Störungen reduziert.

Große Gebirgsbewegungen oberhalb der Strecke

Weit oberhalb der Fahrstraße wirken dicke Gesteinsschichten wie riesige Träger, die sich biegen, brechen und absinken, sobald Kohle entfernt wird. Die Studie bezeichnet dieses System als die „große Struktur“ und zeigt, dass es sich nicht nach einem einzelnen Abbauschritt beruhigt: Die maßgeblichen Gesteinsblöcke oberhalb der Strecke müssen drei Runden von Bruch und Neuverlagerung durchlaufen, bevor Stabilität erreicht ist. Ein spezieller zentraler Block, in der Arbeit als Block C bezeichnet, erweist sich als entscheidend. Wenn dieser Block von umgebendem Gestein und Verfüllungen abgestützt bleibt, sind die auf die Strecke wirkenden Lasten beherrschbar. Fällt er jedoch in den ausgeräumten Hohlraum, kann er die Strecke mit plötzlichem Druck treffen, was zu schweren Verformungen oder zum Versagen des Sicherungssystems führen kann.

Die kleine Struktur, die Menschen schützt

Näher an der Fahrstraße definieren die Autoren eine „kleine Struktur“, bestehend aus dem unmittelbaren Firstdach über der Strecke, den beiden Verfüllkörpern, dem Sohlengebirge sowie den inneren Stahl- und Seilsicherungen. Im Gegensatz zu den entfernteren Gesteinsschichten muss dieses System direkt neben dem Gob stark ungleichmäßige Lasten aufnehmen. Das Team schlägt ein „Vier‑in‑Einem“-Kontrollkonzept vor: Die Verfüllungen begrenzen die Seiten und helfen, aufliegendes Gebirge abzuschneiden; Ankerstangen und Seile verbinden die Dachschichten; Sohlenverstärkungen widerstehen Aufwölbung; und innere Bögen und Stempel verteilen die verbleibenden Kräfte. Ist eine Komponente zu schwach — oder an der falschen Stelle zu stark und zu schmal —, kann das System versagen, wenn sich Lasten verlagern und konzentrieren. Die Autoren leiten Auslegungsformeln ab, um Verfüllbreite und -festigkeit so zu wählen, dass die beiden Wände die Last gemeinsam tragen statt nacheinander zu versagen.

Von Gleichungen zu einer realen Tiefgrube

Die Forschenden übertragen ihr mechanisches Modell in einen konkreten Entwurf für eine Abbaustrecke 610 Meter unter Tage. Anhand gemessener Gesteinseigenschaften und Bergbaumaße berechnen sie, wie breit und wie fest jede Verfüllwand sein muss und um wie viel die Streckenbreite und das überhängende Dach reduziert werden sollten, um Spannungen zu mindern. Anschließend installieren sie ein dichtes Muster aus Dübelschrauben und langen Seilen, Stahlbögen, Sohlenbehandlung und speziell formuliertem zementbasiertem Verfüllmaterial. Während des Abbaus sowohl des ersten als auch des benachbarten zweiten Panels überwachen sie Dachrisse, Verfüllspannungen und Streckenverformungen mit Bohrlochkameras, Druckzellen und Verschiebungsstationen. Die Messungen zeigen, dass die beiden Verfüllungen die steigenden Lasten gestaffelt aufnehmen und schließlich stabilisieren, wobei die zweite Verfüllung wie vorhergesagt den größeren Anteil übernimmt. Wände und Dach der Strecke bleiben innerhalb akzeptabler Verformungsgrenzen, obwohl die Sohle weiter aufwölbt und nachgearbeitet werden muss.

Was das für den zukünftigen Tiefbergbau bedeutet

Kurz gesagt zeigt die Studie, dass es möglich ist, eine Strecke zwischen zwei ausgeeräumten Zonen in einem sehr tiefen Kohlebergwerk sicher wiederzuverwenden, sofern das Gebirgsverhalten darüber verstanden und das Sicherungssystem als koordiniertes Ganzes ausgelegt wird. Durch Anpassung von Streckenbreite, Verfüllmaßen und Dachkontrolle können die ausgebaute Seitenkohlenwand und die beiden künstlichen Wände gemeinsam das darüberliegende Gebirge tragen. Dieser Ansatz spart Aushub, unterstützt langfristige Luftstrecken und verringert Konflikte zwischen Abbau und Vortrieb. Die Autoren weisen darauf hin, dass die Methode weiterhin komplex ist und noch nicht die kostengünstigste Option darstellt, sie bietet jedoch einen erprobten Rahmen, den künftige Arbeiten vereinfachen und für andere herausfordernde Untertagebedingungen anpassen können.

Zitation: Wu, J., Chen, J. & Xie, F. Mechanism and engineering practice of roof stability for secondary gob-side entry retaining in deep mines. Sci Rep 16, 9518 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39802-y

Schlüsselwörter: Tiefkohlenbergbau, Streckenstabilität, Gebirgsunterstützung, Verfüllwände, Gob-Seiten-Streckenhaltung