Studie über das Verteilungsgesetz des Abbauspannungsfeldes unterhalb einer isolierten Kohlesäule in eng liegenden Flözen und die vernünftige Lage des Auffahrungsquerschnitts

Warum die Form der unterirdischen Spannungen wichtig ist

Tief unter der Erde verlassen sich Kohlebergwerke auf enge Stollen, um Personal, Ausrüstung und Luft zu transportieren. In vielen chinesischen Bergbaurevieren liegen mehrere Flöze dicht beieinander, sodass beim Abbau eines Flözes das darüber und darunter liegende Gestein gestört wird. Diese Studie untersucht, was unterhalb einer zurückgelassenen „Insel“ aus Kohle in einem oberen Flöz passiert, und stellt eine praxisrelevante Frage mit lebenswichtiger Bedeutung: Wo sollten Ingenieure den nächsten Stollen im unteren Flöz anlegen, damit er langfristig stabil und sicher bleibt?

Gesteinsschichten und verbleibende Kohle

Die Forschenden konzentrierten sich auf ein Bergwerk in der Provinz Guizhou, China, wo ein oberes Flöz (Nr. 1) bereits abgebaut wurde und eine dicke, isolierte Kohlesäule zwischen zwei eingestürzten, aufgefüllten Hohlräumen (Gosen) verbleibt. Etwa 12 Meter darunter liegt ein dünneres unteres Flöz (Nr. 3), in dem ein neuer Auffahrungsquerschnitt angelegt werden muss. Weil die Flöze nahe beieinanderliegen und das Bergwerk tief ist, verschwinden die durch den früheren Abbau verursachten Spannungen nicht einfach — sie konzentrieren sich um die isolierte Kohlesäule und wandern durch das Gestein nach unten, wodurch sich das Verhalten des unteren Flözes verändert. Das Verständnis dieses Musters ist entscheidend, um zu entscheiden, wo der Stollen so platziert werden kann, dass das umgebende Gestein sich gleichmäßig verformt statt versagend zusammenzubrechen.

Unsichtbare Kräfte im Gestein kartieren

Um nachzuvollziehen, wie sich Spannungen unterhalb der Säule im Gestein ausbreiten, kombinierten die Forschenden drei Ansätze. Zuerst entwickelten sie ein analytisches mechanisches Modell, das das Gestein unterhalb des oberen Flözes als elastisches Medium behandelt, das durch das Gewicht der Deckschichten, die Kohlesäule und die kompaktierten Trümmer in den ausgefaulten Bereichen belastet wird. Dieses Modell liefert Formeln dafür, wie sich horizontale, vertikale und Scherspannungen mit der Tiefe ändern. Anschließend nutzten sie FLAC3D, ein verbreitetes numerisches Simulationsprogramm, um ein dreidimensionales digitales Bergwerk zu erstellen, komplett mit der oberen Säule, den Gosen und dem unteren Flöz. Schließlich verglichen sie diese theoretischen und numerischen Ergebnisse mit Felddaten und Messungen aus dem realen Bergwerk. Die beiden Methoden stimmten gut überein und zeigten starke Spannungsanreicherung an den Rändern der isolierten Säule sowie ein charakteristisches sattelförmiges Spannungsmuster im Bodenrock.

Die ruhige Zone unterhalb der Säule finden

Die Simulationen zeigten, dass die Spannung der isolierten Kohlesäule nicht einfach senkrecht nach unten drückt. Vielmehr fächert sie sich schräg ins Sohlen-Gestein aus und schwächt mit der Tiefe allmählich ab. Nahe dem oberen Flöz sind die Unterschiede zwischen den Hauptdruckspannungen groß und zeigen ein doppeltgipfliges Muster auf beiden Seiten der Mittellinie der Säule. Tiefer wird aus diesem Doppelgipfel ein einzelner, flacherer Peak. Bemerkenswert ist, dass auf Höhe des unteren Flözes Nr. 3 direkt unter der Mitte der Säule die Differenz zwischen den Hauptspannungen relativ klein ist — deutlich geringer als unter den Rändern der Säule oder nahe den Gosgrenzen. Das bedeutet, dass das Gestein dort weniger anfällig für intensive Scherung und Rissbildung ist und auf einen natürlichen „ruhigen Bereich“ für die Stollenführung hinweist.

Wie die Lage des Stollens die Gesteinsschäden verändert

Um zu testen, wie die Lage des Stollens den Schaden beeinflusst, simulierten die Autoren Tunnel, die in verschiedenen Lateralen Versätzen unterhalb der Säule angelegt wurden. Sie untersuchten zwei verwandte Größen: die Deviatorenspannung (die formverändernde Deformation antreibt) und die Plastizitätszone (wo das Gestein nachgegeben hat und bleibende Schäden aufweist). War der Stollen direkt unter der Mittellinie der Säule platziert, war das Deviatorenspannungsmuster annähernd symmetrisch und die Plastizitätszone bildete einen kompakten, annähernd elliptischen Ring, der sich auf Dach und Seiten konzentrierte. Verschob man den Stollen schrittweise zu einer Seite, drehte und streckte sich das Spannungsmuster, und die Plastizitätszone entwickelte sich von dieser ordentlichen Ellipse zu einer verzerrten, schmetterlingsähnlichen Gestalt, die sich in Richtung der benachbarten Gossohle erstreckte. In diesen außermittigen Positionen verbanden sich geschädigte Zonen mit geschwächten Bereichen oberhalb, was das Risiko großer, ungleichmäßiger Verformungen stark erhöhte und die Sicherung deutlich erschwerte.

Die sicherste Zone für den Stollen wählen

Aufbauend auf dieser Erkenntnis teilten die Forschenden den potenziellen Stollenbereich mit Hilfe eines „schmetterlingsförmigen Versagens“-Rahmens in drei Zonen ein, basierend auf zwei Indikatoren: dem Verhältnis der Hauptspannungen und deren Differenz. Eine Zone wird von hohem Spannungsverhältnis dominiert und ist anfällig für instabiles, schmetterlingsartiges Versagen; eine andere wird stark von beiden Indikatoren beeinflusst und ist die schlechteste Wahl für die Stollenführung. Die dritte, R‑III genannt, entspricht Standorten, an denen sowohl Spannungsverhältnis als auch Spannungsdifferenz relativ klein sind. In ihrer Fallstudie liegt diese optimale Zone direkt unter der isolierten Kohlesäule. Ein dort ausgehauener Stollen, mit langen Dachankern und Bolzen gesichert, zeigte in der Feldüberwachung beherrschbare Verformungen: Dach‑Sohlen-Schluss und Seitenkonvergenz blieben über einen Beobachtungszeitraum von 40 Tagen innerhalb akzeptabler Grenzen. Für nichtfachliche Leser lautet die Kernbotschaft: Indem der Stollen im ruhigsten Teil eines komplexen Spannungsfeldes „versteckt“ wird — direkt unter der Säule statt daneben — können Ingenieure die Sicherheit deutlich verbessern und Wartungsaufwand in tiefen, eng liegenden Flözen reduzieren.

Zitation: Shu, S., Wang, W., Liu, C. et al. Study on the mining stress field distribution law beneath isolated coal pillar in close coal seam and reasonable location of the roadway. Sci Rep 16, 12281 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40452-3

Schlüsselwörter: Kohlesäule, unterirdischer Stollen, Gesteinsspannung, Bergwerksstabilität, numerische Simulation