Pilotversuche zur kontinuierlichen Gasabsaugung mit verbesserten L-förmigen Bohrungen aus Bergwerken und Bauschwemmen

Aus einer Bergwerksgefahr eine saubere Energiequelle machen

Kohlebergwerke fördern nicht nur Kohle. Sie setzen auch große Mengen Methan frei, ein brennbares Gas, das untertage tödliche Explosionen auslösen kann und als Treibhausgas zur Klimaerwärmung beiträgt, wenn es in die Luft entweicht. Diese Studie untersucht, wie eine spezielle Art gekrümmter „L‑förmiger“ Bohrungen von der Oberfläche so umgestaltet werden kann, dass eine einzelne Bohrung sowohl während des Abbaus eines Kohleflözes als auch lange nach dem Verlassen durch Bergleute Methan sicher und effizient sammelt.

Warum Methan im Bergbau wichtig ist

Für kohlefördernde Regionen ist Methan sowohl Gefahr als auch Ressource. Hohe Gaswerte können plötzliche Ausbrüche in Arbeitsstrecken auslösen und langsam brennende Brände in alten, eingestürzten Bereichen, den sogenannten Bauschwemmen (Goaf), versorgen. Gleichzeitig ist dieses Methan im Grunde Erdgas, das als Brennstoff genutzt werden kann, wenn es aufgefangen wird. Viele Länder bohren bereits vor und nach dem Abbau Bohrungen in Kohleflöze, um Risiken zu verringern und Gas zu sammeln, doch die Ergebnisse schwanken stark. In China zum Beispiel ist die durchschnittliche Ausbeute pro Gasbohrung gering und die stabile Produktion hält oft nur kurze Zeit an, was die Amortisation von Investitionen erschwert.

Wie L-förmige Bohrungen helfen sollen

L-förmige Bohrungen werden von der Oberfläche schräg nach unten und dann horizontal geführt, sodass ihr langer Abschnitt oberhalb oder in der Nähe des Kohleflözes verläuft. Diese Anordnung ermöglicht es, mit einer einzigen Bohrung ein ganzes Abbaublockfeld zu erreichen, ohne den untertägigen Betrieb zu stören. Theoretisch können solche Bohrungen Methan aus dem gestörten Gestein oberhalb der aktiven Abbaufront entlüften und später aus dem gebrochenen Gestein und den Restkohlen im Goaf. Die Autoren untersuchten drei solche Bohrungen in großen Kohlegruben in der Provinz Shanxi und verfolgten die Fördermengen zunächst während des Abbaus und anschließend nach Aufgabe der Felder.

Was in echten Bergwerken schiefging

Nur eine der drei Testbohrungen produzierte über die Zeit genug Methan, um als rentabel zu gelten. Detaillierte Messungen zeigten, dass in den beiden enttäuschenden Fällen der horizontale Abschnitt der L-förmigen Bohrung zu weit oberhalb des Rissnetzwerks lag, das tatsächlich das aus der Kohle freigesetzte Gas transportiert. Ohne einen stabilen Fließweg zwischen der gebrochenen Kohle und der Bohrung brach die Gasförderung schnell ein. Zudem blieb der untere Teil jeder Bohrung als offenes Loch ohne Zementverfüllung. Als das Deckgebirge nach dem Abbau sickerte und sich verschob, neigte dieser Abschnitt zum Biegen und Verformen, was den Gasfluss weiter störte und die Nutzungsdauer der Bohrungen verkürzte.

Eine Bohrung für zwei Aufgaben entwerfen

Auf Grundlage von Beobachtungen, Gebirgsmechaniktheorien und Computersimulationen schlugen die Forscher ein neues „Eine Bohrung, zwei Zwecke“-Design vor. Statt eines einfachen einzigen Horizontalabschnitts wird der lange Abschnitt in zwei Teile aufgeteilt, die in unterschiedlichen Höhen innerhalb der Haupt‑Gasspaltenzone oberhalb des abgebauten Flözes platziert sind. Etwa 60 Prozent der Länge liegen im unteren Teil dieser Zone, wo Risse weit sind und Gas leicht fließt, während die verbleibenden 40 Prozent etwas höher in stärkerem Gestein sitzen, das dem Einknicken und Zusammenfallen besser widersteht. Der Bohrungskörper selbst wird zu einer großkalibrigen, zweiteiligen Struktur aufgerüstet mit sorgfältiger segmentierter oder mehrstufiger Zementierung in den vertikalen und geneigten Abschnitten, während im Horizontalabschnitt ein geschlitztes Siebrohr das Eindringen von Gas erlaubt, ohne das Gestein ungestützt zu lassen.

Den Gasfluss vom Abbaugebiet zum Goaf aufrechterhalten

Die verbesserte Anordnung wird mit einer flexiblen Förderstrategie kombiniert. Während des aktiven Abbaus, wenn der Gasdruck hoch ist und neue Risse entstehen, wird an der Oberfläche starker Unterdruck angelegt, um Methan schnell abzuziehen und die Abbaufront zu sichern. Nachdem der Abbau stoppt und der Goaf sich setzt, wird die Saugleistung reduziert, um ein zu starkes Einströmen von Luft zu vermeiden, gleichzeitig aber die langsam anhaltende Gasfreisetzung aus Restkohlen und angrenzenden Flözen zu erfassen. Weil dieselbe L-förmige Bohrung nun mechanisch stabil bleibt und gut mit dem Rissnetz verbunden ist, kann sie etwa sechs Jahre produzieren und damit beide Phasen abdecken, mit einer Gesamtrückgewinnung, die mit der von separaten für jede Phase ausgelegten Bohrungen vergleichbar ist.

Was das für Bergwerke und Umwelt bedeutet

Vereinfacht gesagt zeigt die Studie, dass durch sorgfältige Platzierung und Konstruktion von L-förmigen Bohrungen ein kurzlebiges, risikoreiches Gassteuerungswerkzeug in eine langfristig nutzbare Doppelzweck‑Energiebohrung verwandelt werden kann. Indem der Horizontalsegment dort sitzt, wo Gesteinsklüfte tatsächlich Methan führen, und der Bohrungskörper verstärkt wird, sodass er Bodenbewegungen überlebt, kann eine einzelne Bohrung während der Bergbauarbeiten Gas sicher ableiten und danach weiterhin Methan aus dem Goaf auffangen. Das macht den Bohraufwand effizienter, hilft Explosionen und Bränden vorzubeugen und reduziert Methanemissionen aus dem Kohlebergbau – und wandelt eine verborgene Gefahr in einen nutzbaren Brennstoff um.

Zitation: Zhang, J., Qin, Y., Li, G. et al. Pilot tests of continuous gas extraction with improved L-shaped wells from mining and goaf areas. Sci Rep 16, 16597 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41494-3

Schlüsselwörter: Kohlenflözgas, L-förmige Bohrungen, Kohlebergbau, Methanableitung, Gosekretgas