Forschung zur Stabilitätsanalyse und Steuerungstechnik von Strecken in unterlagerten Inselbergbauen

Warum untertägige Strecken wichtig sind

Tief unter Nordchina sind die Grubenstrecken die Lebensadern für Personal, Luft und Gerätschaften. Wenn sich diese Tunnel verformen oder einstürzen, muss der Betrieb verlangsamt oder eingestellt werden, was Arbeiter gefährdet und eine wichtige Energiequelle bedroht. Dieser Beitrag untersucht eine besonders anspruchsvolle Situation: ein Kohlenfeld, das wie eine „Insel“ unter älteren, bereits ausgebeuteten Bereichen und verbleibenden Kohlesäulen liegt. Die Autoren zeigen, wie Spannungen aus diesen Altbergbauzonen sich im Gebirge konzentrieren und entwerfen ein Stützsystem, das die neue Strecke stabil und sicher hält.

Schichten alter und neuer Abbaubetriebe

Die Studie konzentriert sich auf die Yanghuopan-Kohlenmine in der Provinz Shaanxi, wo ein langes, schmales Flöz—das Abbaufeld 30.119—unter einem bereits abgebauten Flöz liegt. Darüber befinden sich Hohlräume (Ausbrüche, Gobflächen) und verbliebene Kohleblöcke als Pfeiler. Diese Anordnung erzeugt ein „isoliertes Insel“-Gesicht, das auf drei Seiten von ausgebeuteten Bereichen umgeben ist. Die betrachtete Strecke, die die Rückführung der Förderlüftung vom Gesicht übernimmt, muss sowohl unter niedrig beanspruchten Gob-Bereichen als auch unter hochbeanspruchten Restkohlesäulen hindurchgeführt werden. Da Dach- und Sohlenhorizonte aus vergleichsweise festen Sandsteinen und Schluffsteinen bestehen, das Spannungsfeld jedoch stark ungleichmäßig ist, wäre eine einheitliche Stützmaßnahme unsicher und verschwenderisch.

Wie verbleibende Pfeiler auf tiefere Flöze drücken

Die Forscher nutzen zunächst die Gebirgsmechanik, um zu verstehen, wie die Last der oberen Kohlesäulen nach unten übertragen wird. Sie behandeln einen Pfeiler als einen belasteten Streifen, der auf eine deutlich dickere Sohlenzone drückt, und berechnen, wie sich diese konzentrierte Last mit der Tiefe ausbreitet. Ihre Analyse zeigt, dass unmittelbar unter einer Restkohlesäule das untere Flöz eine vertikale Spannung erfährt, die etwa 1,6‑mal so hoch ist wie das natürliche Hintergrundniveau, und dass dieser Einfluss sich seitlich mehr als 60 Meter entlang des unteren Flözes erstreckt. Anders gesagt: Auch wenn das obere Flöz bereits abgebaut ist, lenkt der verbleibende Pfeiler weiterhin Gewicht auf das Gebirge und die darunterliegenden Strecken, wodurch ausgeprägte Zonen von Spannungszunahme und Spannungsentlastung entstehen.

Simulation von Spannung, Schädigung und Verformung

Um zu sehen, wie diese Kräfte um die Strecke wirken, erstellen die Autoren ein dreidimensionales Computermodell der Gebirgsschichten und des Abbauablaufs mithilfe numerischer Simulationssoftware. Sie „bauen“ das obere Flöz ab, um Gobflächen und Pfeiler zu erzeugen, dann simulieren sie die Ausräumung des unteren 3–1‑Kohleflözes und das Vorrücken des Abbaufelds 30.119 in Stufen. Das Modell zeigt fünf deutlich unterscheidbare Bereiche unterhalb der oberen Abbaubereiche: zwei spannungsarme Zonen unter den Gobflächen, zwei Zonen starker Spannungskonzentration unter dem ersten und zweiten Restpfeiler sowie eine Normalspannungszone unter unberührter Kohle. Während das untere Gesicht vorrückt, tritt die maximale Zusatzbelastung stets etwa acht Meter vor der Abbaufront auf, ihre Stärke variiert jedoch deutlich mit der Lage: Die Spannungen sind am größten unter dem ersten Restpfeiler und etwas geringer unter dem zweiten.

Wo die Strecke am stärksten leidet

Die Simulationen verfolgen außerdem das Ausmaß des plastifizierten bzw. aufgebrochenen Gebirges um die Strecke (die „Plastikzone“) und wie stark Dach und Wände eintauchen. Liegt die Strecke unter spannungsgelinderten Bereichen, sind die Schadenbänder relativ flach und die Verformungen gering. Unter dem ersten Restpfeiler hingegen führen die konzentrierte Last und der Druck der vorrückenden Front zu einer Vertiefung der Aufbruchszone in Dach und Flanken sowie zu deutlich größerem Dacheinbruch und Wandkonvergenz. Unter dem zweiten Pfeiler ist die Reaktion zwar weiterhin ernst, aber milder: Die Dachbewegung beträgt etwa die Hälfte derjenigen unter dem ersten Pfeiler, und die Bewegung der soliden Kohlenwand sinkt um mehr als drei Viertel. Diese Unterschiede bestätigen, dass das Verhalten der Strecke nicht nur vom Gesteinstyp, sondern von der komplexen Spannungsentwicklung durch frühere Abbautätigkeit gesteuert wird.

Stützentwurf dort, wo er wirklich nötig ist

Auf Basis dieser Erkenntnisse teilen die Autoren die Strecke in zwei Kontrollzonen auf. In Abschnitten unter Gobflächen und bei annähernd normaler Beanspruchung wenden sie ein konventionelles Stützschema mit Ankern, Verankerungskabeln und Bewehrungsnetz an. Unter den hochbelasteten Bereichen, die von Restpfeilern beeinflusst werden, verstärken sie das Konzept: dichtere Dachanker, lange Spritzanker in einem verstärkenden Muster und zusätzliche Seitenanker, um Pfeiler und Flanken „zusammenzunähen“. Anschließend überprüfen sie die Leistungsfähigkeit unter Tage, indem sie Dachsetzungen, Wandkonvergenzen und die Lasten in Ankern und Kabeln an mehreren Stationen beim Vorrücken der Front überwachen. Gemessene Dachsenkungen bleiben bei etwa einem Zentimeter und Wandschließungen bei wenigen Millimetern, während die Stützlaster weit unter ihrer Tragfähigkeit liegen, was auf einen komfortablen Sicherheitsabstand hindeutet.

Was das für sicheren Bergbau bedeutet

Praktisch zeigt die Studie, dass Strecken unter isolierten Inselabbauen stabil gehalten werden können, wenn Ingenieure zuerst kartieren, wie alte Pfeiler und Gobflächen das Spannungsfeld umformen, und dann die Stützung zonenspezifisch anpassen. Anstatt überall übermäßig zu verstärken oder das Versagen in verborgenen Hotspots zu riskieren, konzentriert der Ansatz schwere Unterstützung dort, wo die Spannungen am höchsten sind, und verwendet leichtere Systeme in entlasteten Bereichen. Das Ergebnis in Yanghuopan ist eine Strecke, die während des Abbaus offen und nutzbar bleibt und als Vorbild für andere Gruben dienen kann, die neue Flöze unter komplexen Netzen früherer Abbauen bearbeiten müssen.

Zitation: Gao, X., Wang, Y. & Li, YM. Research on stability analysis and control technology of roadways in the underlying isolated island working face. Sci Rep 16, 9903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40307-x

Schlüsselwörter: Stabilität von Grubenstrecken, isolierter Inselabbau, Restkohlesäulenenspannung, numerische Abbausimulation, Untertageauslegungsdesign