Angemessener Bohrwinkel und Technikanwendung zum Vorbrechen dicker harter Deckschichten vor dem Vortrieb von Pfeiler-an-Streifen-Tunnel in ultradicken Flözen

Tiefer Kohleabbau sicherer machen

In einigen der größten chinesischen Bergwerke müssen unterirdische Gänge direkt neben großen Hohlräumen offengehalten werden, die nach dem Abbau der Kohle zurückbleiben. Diese Strecken, sogenannte Pfeiler-an-Streifen-Fahrten (gob-side roadways), sind für Belüftung und Transport unerlässlich. Wenn jedoch sehr dicke, steife Gesteinsdächer über diesen Öffnungen hängen, können sie plötzlich brechen und einstürzen, Stützen zerdrücken und die Fahrten verformen. Diese Studie untersucht eine Methode, um dieses harte Dach im Voraus gezielt zu schwächen, indem man wohlüberlegte Bohrwinkel und eine auf Kohlendioxid basierende Aufsprengung einsetzt, sodass das Gestein kontrolliert in den Abbaubereich zusammenfällt statt heftig über dem Fahrweg.

Warum dicke Dächer eine verborgene Gefahr sind

In ultradicken Flözen mit mehr als 20 Metern Mächtigkeit entstehen beim Abbau große Hohlräume. Darüber liegt eine dünne schwache Schicht unter einer deutlich dickeren, sehr festen Gesteinsdecke. Da das zerbrochene Gestein im Abbauhohlraum (Goaf) den Raum nicht vollständig ausfüllt, kann das dicke Dach eine lange, starre Überhangplatte bilden, die bis in die zur Unterstützung zurückgelassene Kohle hineinreicht. Wenn diese überhängende Platte schließlich bricht und sich dreht, überträgt sie zusätzliche Lasten auf Wände und Boden des Fahrwegs, verbiegt Stahlträger, reißt Verankerungskabel, drückt Kohlepfeiler zusammen und kann den Tunnel teilweise verschließen. Feldbeobachtungen im Bergwerk Madaotou dokumentierten unter solchen Bedingungen extremes Dachdurchhängen, Wandabplatzungen und Sohlaufwölbung, wenn keine vorgezogene Dachbehandlung angewendet wurde.

Das Dach dort brechen, wo es am wenigsten schadet

Die Autoren schlagen vor, das Problem umzudrehen: statt zu reagieren, nachdem das Dach versagt hat, das dicke, harte Dach gezielt vorher zu zerbrechen, bevor die neue Pfeiler-an-Streifen-Fahrt aufgefahren wird. Durch das Bohren langer Löcher aus einer benachbarten Fahrtrichtung in einem gewählten Winkel und das anschließende Aufsprengen des Gesteins entlang dieser Bohrungen kann man die maßgeblichen Gesteinsblöcke dazu bringen, in den bereits ausgebeuteten Bereich zu stürzen statt über dem neuen Tunnel. Mithilfe eines Strukturmodells, das das überlagerte Gestein als Stapel von Balken behandelt, zeigen sie, dass der Winkel dieser Vorbrüche steuert, wo das Dach bricht, wie es sich biegt und wie Kräfte seitlich in die Kohle übertragen werden. Lenkt die Rissrichtung die Blöcke in Richtung Goaf, so wird der Fahrweg überwiegend von weiter entfernt liegendem, sanfter gebogenem Gestein belastet statt von einem steifen Kragträger direkt darüber.

Den besten Bohrwinkel finden

Um vom Konzept zu Konstruktionsregeln zu gelangen, entwickelten die Forscher ein detailliertes mathematisches Modell dafür, wie Dachblöcke bei verschiedenen Risswinkeln biegen und Druck auf die Kohlewand ausüben. Anschließend nutzten sie Computersimulationen (FLAC3D), um zu sehen, wie sich Spannungs- und Schadenszonen um den Fahrweg verändern, wenn der Bohrwinkel von keinem Vorbrechen über 60°, 70° und 80° bis zu 90° und leicht darüber erhöht wird. Untersucht wurden zwei zentrale Indikatoren: die Größe der plastischen (bleibend verformten) Zone in Kohle und Dach sowie ein Maß gespeicherter Verzerrungsenergie (J2), das anzeigt, wie viel „Federenergie“ freigesetzt werden kann. Mit steigendem Vorbrechwinkel von 60° auf 90 sank der maximale Seitenüberdruck auf die Kohlewand um etwa 18 %, die plastische Bruchzone schrumpfte von rund 32 m auf 20 m und J2 in Kohle und Dach ging deutlich zurück. Überschritt der Winkel jedoch 90°, neigten die gebrochenen Blöcke dazu, wieder direkter auf den Fahrweg zu drücken, wodurch die beschädigte Zone anwuchs und die Kohle so stark zermalmt wurde, dass sie die Last nicht mehr sicher tragen konnte.

Das Dach mit überkritischem CO2 aufbrechen

Angeleitet von diesen Berechnungen wählten die Forscher eine Bruchhöhe, die die maßgebliche Dachschicht erreichte (etwa 45 m über dem Flöz), und einen nahezu vertikalen 90°-Bohrwinkel als optimal aus. In der 2209-Fahrt des Bergwerks Madaotou bohrten sie Gruppen tiefer Bohrlöcher entlang der dem Goaf zugewandten Seite und setzten überkritisches Kohlendioxid zur Aufsprengung des Dachs ein. Das CO2 wird als dichtes Fluid in versiegelten Kartuschen gelagert; beim Auslösen weitet es sich schnell zu Gas, öffnet Spalten im Gestein und bewirkt eine kontrolliertere, geringerschütternde Spaltwirkung als Sprengstoffe. Feldinspektionen der Bohrlöcher und Wasserinjektionstests bestätigten, dass sich die Risse gut zwischen den Löchern verbunden hatten und ein kontinuierliches geschwächtes Band über dem Fahrweg bildeten, das die Dachblöcke dazu anregte, beim Vortriebsfortschritt in den Goaf zu fallen.

Von gewaltsamem Einsturz zu kontrollierter Bewegung

Der Vergleich zweier ansonsten ähnlicher Fahrten — eine ohne Vorbrechen und eine mit CO2-basierter Behandlung — war eindrücklich. Ohne Vorbrechen erreichte das Dach während des Auffahrens fast einen halben Meter Durchhang und während des Abbaus mehr als einen Meter; Wände und Sohle bewegten sich ebenfalls um mehrere hundert Millimeter und erforderten wiederholte Reparaturen. Mit Vorbrechen bei 90° reduzierten sich die Dachbewegungen beim Auffahren auf nur wenige Zentimeter, und während des Abbaus wurden die Verformungen von Dach, Kohlepfeiler, massiver Kohle und Sohle um 75–82 % verringert. Die Fahrwegwände blieben relativ glatt, das Dach intakt und Versagen der Ausbauten selten. Für Nichtfachleute ist die Erkenntnis klar: Durch die Wahl des richtigen Bohrwinkels und das Vorbrechen des harten Dachs im Voraus können Ingenieure dem Gestein „vorgaben“, wo es brechen soll — weg vom Tunnel statt direkt darüber — und so einen gefährlichen, plötzlichen Einsturz in eine sicherere, kontrollierte Bodensetzung verwandeln.

Zitation: He, F., Wu, Y., Wang, D. et al. Reasonable drilling angle and technology application for pre-cracking thick-hard roofs before driving gob-side roadways in ultra-thick seams. Sci Rep 16, 9354 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40014-7

Schlüsselwörter: Standsicherheit von Grubenfahrwegen, Vorbrechen der Dachschicht, Pfeiler-an-Streifen-Fahrt, CO2-Gesteinsaufsprengung, ultradicke Kohleflöze