Studie zu den mechanischen und Bruchmerkmalen von Sandstein mit parallelen Schlitzen in unterschiedlichen Winkeln unter zyklischer Belastung und Entlastung

Warum der richtige Winkel beim Einschneiden von Gestein wichtig ist

Tief unter Tage kann das Gestein über Kohleflözen plötzlich versagen und große Energiemengen freisetzen, was gefährliche Ausbrüche von Fels und Gas auslöst. Um den Bergbau sicherer zu machen, schneiden Ingenieure gezielt Rillen in das Dachgestein, damit es kontrolliert aufbricht statt unvorhersehbar zu versagen. Diese Studie stellt eine überraschend einfache, aber entscheidende Frage: In welchem Winkel sollten diese menschengefertigten Schnitte angebracht werden, damit das Dach sicher und berechenbar bricht?

Für den Versuch vorbereitete Gesteinsblöcke

Die Forschenden arbeiteten mit Sandsteinblöcken, die das harte Dachgestein über Kohleflözen nachbilden sollten. Jeder Block wurde in der Mitte mit zwei schmalen, parallelen Schlitzen versehen, ähnlich kleinen Säge­schnitten. Getestet wurden sieben verschiedene Winkel zwischen den Schlitzen und der Horizontalen: von vollständig horizontal (0 Grad) über 15, 30, 45, 60 und 75 Grad bis hin zu vertikal (90 Grad). Nachdem die Blöcke getrocknet wurden, um Feuchtigkeit zu entfernen, platzierten die Forschenden sie in einer hydraulischen Prüfmaschine, die das Gestein wiederholt zusammenpressen und entlasten konnte und so den Druckwechseln nachahmte, wie sie beim Voranschreiten des Bergbaus auftreten.

Simulation des Drucks und der Schwankungen unter Tage

Um reale Bergbaubedingungen zu simulieren, kombinierte das Belastungsmuster zwei Komponenten: eine stetig ansteigende Grundkraft, die das wachsende Gewicht und die Spannung beim Abbau repräsentiert, und ein schnelles Auf‑und‑Ab‑Zyklieren, das periodische Störungen abbildet. In jedem Zyklus stieg die Spannung von einem tieferen „Tal“-Niveau zu einem höheren „Gipfel“-Niveau und fiel dann wieder ab; dieser Ablauf wiederholte sich zehnmal, bevor der allgemeine Spannungspegel weiter erhöht wurde. Während die Maschine arbeitete, zeichnete sie kontinuierlich die Verformungen des Sandsteins auf, sodass das Team nicht nur den Bruchzeitpunkt verfolgte, sondern auch, wie sich Steifigkeit, innerer Schaden und gespeicherte Energie über Dutzende von Zyklen entwickelten.

Wie der Winkel Festigkeit, Steifigkeit und Energie verändert

Der Winkel der Schlitze hatte einen starken und nichtlinearen Einfluss auf das Verhalten. Die maximale Spannung, die die Proben aushielten, stieg nicht einfach linear mit dem Winkel; stattdessen nahm sie zunächst zu, fiel dann deutlich ab und stieg wieder an. Am schwächsten zeigten sich die Proben bei 45 Grad, am stärksten bei vertikalen Schlitzen. Mit fortschreitendem Zyklieren wurden alle Proben während der Belastung allmählich steifer, aber die Änderungsrate variierte mit dem Winkel, was widerspiegelt, wie Poren und Mikrrisse innen verdichtet oder vergrößert wurden. Gleichzeitig wurden zwei Energieformen verfolgt: elastische Energie, die bei Entlastung wieder freigesetzt werden kann, und plastische Energie, die dauerhaft zur Rissbildung und irreversibler Verformung verbraucht wird. Bei 45 Grad blieben sowohl die gespeicherte (elastische) als auch die dissipierte (plastische) Energie für dieselbe Anzahl an Zyklen niedriger als bei den anderen Winkeln, was bedeutet, dass das Gestein mit vergleichsweise geringer Gesamtverformung und Energieansammlung versagte.

Von sanft aufreißenden Rissen zu heftigem Scherversagen

Die Beobachtung der sichtbaren Bruchentwicklung lieferte weitere Einsichten, warum der Winkel so entscheidend war. Bei nahezu horizontalen Schlitzen bildete das Gestein hauptsächlich „Aufweitungs“-Risse aus, die den Sandstein auseinanderzogen – ein zugdominiertes Versagen. Mit wachsendem Winkel bis etwa 30 Grad tauchten sowohl Aufweitungs‑ als auch Schub‑ bzw. Gleit­risse auf und wirkten zusammen. Ab 45 Grad dominierten Schub‑ bzw. Glei­trisse, die das Prüfkörperquerschnitt durchschlitzten und die Schlitze miteinander sowie mit den Rändern verbanden. Die Rissverläufe änderten sich ebenfalls: von direkten, geradlinigen Verbindungen bei niedrigen Winkeln zu indirekteren und komplexeren Pfaden bei hohen Winkeln. Dieser Übergang von zug‑ zu schubdominiertem Versagen um etwa 45 Grad markierte einen Wendepunkt im Bruchverhalten des Gesteins.

Wie das Gestein in Stücke zerfiel

Nach jedem Versuch wurde der gebrochene Sandstein sorgfältig gesiebt und gewogen, um zu ermitteln, wieviel Material in welche Korngrößen fiel. Über alle Winkel hinweg blieb die meiste Masse in relativ großen Stücken, doch die Details der Korngrößenverteilung variierten. Bei 30 und 45 Grad war die Streuung der Fragmentgrößen am größten, mit einem höheren Anteil kleinerer Teile unter größeren Blöcken. Diese breitere Verteilung deutet darauf hin, dass Risse zahlreicher und stärker miteinander vernetzt waren und das Gestein in viele unterschiedlich große Fragmente zerschnitten wurde. Für den Bergbau bedeutet das, dass das Dach bei diesen Winkeln eher zum Einsturz und Zerkleinern neigt, statt als einzelnde massive Platte zu hängen.

Folgen für einen sichereren Kohlebergbau

Unter Einbeziehung der mechanischen, energetischen und Fragmentierungs‑Befunde kommt die Studie zu dem Schluss, dass das Einschneiden paralleler Rillen im Dachgestein in einem Winkel von etwa 45 Grad zur Horizontalen besonders wirksam ist. In diesem Winkel entwickelt das Gestein starke schubdominierte Rissbildungen, versagt nach vergleichsweise geringer Verformung und zerfällt in eine breite Mischung von Fragmentgrößen, die ein rechtzeitiges und gleichmäßiges Nachbrechen fördert. Praktisch heißt das, dass Ingenieure, die Dachschneid‑Operationen planen, einen Rillenwinkel von 45 Grad als praktisches Ziel verwenden können, um Spannungen im überlagernden Sandstein abzubauen und das Risiko plötzlicher, gefährlicher Fels‑und‑Gas‑Ereignisse beim Kohleabbau zu verringern.

Zitation: Enbing, Y. Study on the mechanical and fracturing characteristics of parallel slit groove sandstone at different angles under cyclic loading and unloading. Sci Rep 16, 9778 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40476-9

Schlüsselwörter: Sandsteinbruch, zyklische Belastung, Felsmechanik, Dachkontrolle im Bergbau, Vorschnittsritzen