Studie zum Einfluss der Spannungsentlastung im tauben Bereich einer eng anliegenden Kohlenflözböschung und der Störung durch Streckenbau auf das umgebende Gebirge

Warum untertägige Spannungen wichtig sind

Moderne Bergwerke müssen immer tiefer vordringen, um verbleibende Kohlereserven zu erschließen, wo sich das Gestein komplex und mitunter unvorhersehbar verhält. Wird eine große Strecke unterhalb einer älteren, bereits abgebauten Flözbank aufgefahren, kann das umliegende Gebirge je nach Spannungsumverteilung entweder einstürzen oder stabil bleiben. Diese Studie untersucht ein reales Projekt in Ostchina, um zu verstehen, wie eine durch früheren Abbau entstandene Hohl- und Einsturzzone (Goaf) einen neuen, besonders breiten Stollen darunter tatsächlich schützen kann und welche Unterstützungssysteme das Dach für die Beschäftigten sicher halten.

Gesteinsschichten über einem breiten Stollen

Die Forschenden konzentrierten sich auf eine große Strecke, eine sogenannte offene Abschlagstrecke, die in etwa doppelt so breit ist wie ein typischer Bergwerksstollen und 12 bis 18 Meter unterhalb eines älteren, ausgebeuteten Flözes liegt. Zwischen den Kohleflözen liegen Schichten aus Sandstein, Siltstein und Tonschiefer mit unterschiedlichen Festigkeiten. Durch Kernbohrungen und Gütebewertungen stellte das Team fest, dass einige Dachgesteine mittlere Festigkeiten aufwiesen, während andere, besonders in der Nähe des alten Flözsohls, sehr schwach und stark zerrüttet waren. Zu wissen, welche Schichten tragfähig und welche brüchig sind, ist entscheidend, denn diese Lagen bilden zusammen den Felsbalken, der die neue Öffnung überspannen muss.

Wie ein altes ausgebeutetes Flöz die Belastung verändert

Mit numerischen Simulationen rekonstruierten die Autorinnen und Autoren die zeitliche Abfolge: erst der Abbau des oberen Flözes, dann die Aushaltung der unteren Strecke. Nachdem das obere Flöz abgebaut war, blieb ein Goaf zurück — eine teilweise mit eingestürztem Dachgestein gefüllte Hohlzone. Dieser Goaf erhöhte nicht den Druck auf die untere Strecke; vielmehr wirkte er als Entlastungszone. Das Gestein zwischen dem Goafsohlenniveau und dem neuen Streckendach erfuhr deutlich geringere Spannungen, typischerweise nur einige Megapascal, verglichen mit hochbelasteten Bereichen seitlich davon. Ein etwa drei Meter dicker Band aus ungebrochenem Gestein zwischen beiden Öffnungen blieb erhalten, und die langen Dachanker, die oberhalb der Strecke verankert sind, saßen in komprimiertem, stabilem Gestein, während kürzere Bolzen in einem näher an der Öffnung liegenden Zugbereich wirkten.

Modellstollen und Zeitlupen-Dachbruch

Um diese Konzepte physisch zu prüfen, bauten die Forschenden ein maßstabsgetreues Modell im Metermaßstab der geschichteten Gesteine und Flöze aus sandbasierten Materialien. Zunächst wurde im Modell das obere Flöz abgebaut und dann langsam die von oben wirkende Belastung erhöht, um eine tiefere Überlagerung zu simulieren. Mit zunehmender Last brach das Dach über dem oberen Flöz allmählich von einem festen Balken in gelenkige Blöcke und schließlich in einen mauerwerksähnlichen Bogen aus herabgefallenem Gestein auseinander. Überschritt die Belastung eine bestimmte Schwelle, stürzte das obere Dach vollständig ein und bildete eine stabile Schutthalde mit Seitenneigungen von etwa 60 bis 65 Grad. In der Nähe der späteren Streckenlage eingebaute Sensoren zeigten, dass sich die Spannungen in der Sohle unter dem Goaf von Beginn an von Druck zu Zug änderten und sich schließlich auf konstante Werte einpendelten, was bestätigt, dass die alte Abbaustelle ihre Last weitgehend abgegeben hatte.

Beobachten, wie sich Spannung beim Vortrieb aufbaut

Die Forschenden simulierten anschließend die abschnittsweise Aushaltung der großen Strecke, analog zum tatsächlichen Bauschema unter Tage. Spannungsmessgeräte im Modell-Dach zeigten, dass jeder Weiterschlag eine neue Störungswelle auslöste, wobei sich Druck- und Zugspannungen abwechselten, bevor sie allmählich stabil wurden. Die Dachmitte direkt über der Strecke trug die höchsten Zugspannungen, und diese Spannungen stiegen weiter an, wenn zusätzliche Auflast von oben aufgebracht wurde. Dieses hochzugbeanspruchte Gebiet lag größtenteils im Wirkbereich der kürzeren Bolzen, während die längeren Anker in tiefer verankertem, komprimiertem Gestein saßen, das als stabiles Rückgrat fungierte. Feldbeobachtungen mit einer Bohrlochkamera im realen Bergwerk stützten dieses Bild: Im Dach waren nur wenige kreisförmige Risse sichtbar, und der Großteil des Gesteins rund um die Öffnung blieb intakt.

Was das für sichereren Tiefbau bedeutet

Für Nichtfachleute lautet die zentrale Erkenntnis: Ein altes, ausgebeutetes Flöz oberhalb eines neuen Stollenabschnitts ist nicht zwangsläufig eine Gefahr; richtig verstanden kann es Druck entlasten und die darunterliegende Öffnung schützen. In diesem Fall schuf der Goaf über der großen Strecke einen Niedrigspannungs-Puffer, während eine gezielte Auslegung von Bolzen und Ankern sicherstellte, dass die schwachen, zerrütteten Schichten in der Nähe der Strecke mit stärkerem Gestein darüber verbunden wurden. Durch die Kombination von Kernbohrungen, numerischer Modellierung, maßstabsgetreuen Labormodellen und Vor-Ort-Kameraprüfungen zeigt die Studie, dass selbst sehr breite Untertage-Strecken unter tiefen Bedingungen stabil bleiben können, wenn die Gesteinsschichten und Spannungsverläufe gründlich erfasst und die Ausrüstung an die tatsächlichen Spannungszonen angepasst wird.

Zitation: Liu, Z., Chen, M. Study on the influence of stress relief in close-distance coal seam Goaf and roadway excavation disturbance on surrounding rock. Sci Rep 16, 12291 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40469-8

Schlüsselwörter: Untertage-Kohlenbergbau, Gesteinsstabilität, Streckenausbau, Entlastung im Flözraum, tiefe Tunnel