Analyse der Einflussfaktoren auf die Breite der Plastizitätszone und die Stabilität von mit Windsand basierten Verfüllstreifen

Schutz des Bodens über verdeckten Bergwerken

Viele Kohlebergwerke liegen direkt unter Dörfern, Straßen und Ackerland. Wenn Kohle entnommen wird, können die Deckgesteinsschichten nachgeben und die Bodenoberfläche absinken, wodurch Gebäude Risse bekommen und Ökosysteme gestört werden. Diese Studie untersucht eine Möglichkeit, die unterirdischen Hohlräume mit einem speziellen, sandbasierten Verfüllmaterial zu stützen, sodass weiterhin Kohle abgebaut werden kann, während Land und Bauwerke darüber so sicher und stabil wie möglich bleiben.

Wüstensand als unterirdische Stütze nutzbar machen

Die Forschenden begannen damit, ein neues Verfüllmaterial zu entwickeln, das Windsand — feinen, vom Wind abgelagerten Sand aus Wüstengebieten — als Hauptbestandteil verwendet. In Westchina ist dieser Sand in großer Menge vorhanden, leicht zu gewinnen und preiswert. Sie kombinierten ihn mit industriellem Flugasche-Abfall, der chemisch mit Kalk und Gips aktiviert wurde, sodass er zu einer festen Masse aushärtet. Tests zeigten, dass die resultierende Schlämme leicht durch Rohrleitungen fließt und dann zu einem relativ festen, gesteinsähnlichen Körper erstarrt, was das Verpumpen in ausgeräumte Hohlräume praktisch macht.

Wie sich die Sandverfüllung unter Druck verhält

Um zu verstehen, wie dieses Material in großer Tiefe reagiert, fertigte das Team zylindrische Proben an und presste sie in einer leistungsstarken Prüfmaschine von allen Seiten zusammen. Durch Variation des umgebenden Drucks konnten sie unterschiedliche Bergwerktiefen simulieren. Mit steigendem Konfinementsdruck wurde die Verfüllung stärker und verformte sich vor dem Versagen weniger. Aus diesen Experimenten berechneten die Wissenschaftler zentrale Festigkeitseigenschaften, die Ingenieure benötigen, etwa die Scherfestigkeit des Materials. Diese Werte wurden anschließend verwendet, um abzuschätzen, wie belastbar ein Verfüllstreifen beim Tragen der Last von hunderten Metern Deckgestein darüber sein würde.

Die „weiche Kante“ um Verfüllstreifen kartieren

Beim Streifenverfüllabbau wird die Abbausohle in langen Bändern gewonnen, wobei abwechselnd feste Streifen verbleiben, die wie unterirdische Träger das Gebirg stützen. Anstatt diese Streifen vollständig als Kohle zu belassen, werden einige von ihnen mit sandbasierter Verfüllung aufgebaut. Mittels Computersimulationen eines echten Bergwerks in der Provinz Shaanxi untersuchten die Forschenden, was innerhalb eines Verfüllstreifens passiert, wenn das Deckgebirge sich setzt. Sie fanden heraus, dass jeder Streifen einen starken zentralen Kern entwickelt, der beidseitig von „plastischen“ Zonen umgeben ist, in denen das Material nachgegeben hat und einen Großteil seiner Festigkeit verloren hat. Die Breite dieser aufgeweichten Zonen wächst mit steigender Abbauhöhe und Tiefe, verringert sich jedoch, wenn ein größerer Anteil der ausgeräumten Fläche aufgefüllt wird.

Eine einfache Regel, die Abbaubedingungen und Streifensicherheit verknüpft

Da die Breite der weichen Kante gleichzeitig von mehreren Faktoren abhängt, nutzten die Forschenden statistische Anpassungen, um eine Gleichung zu erstellen, die sie mit Abbautiefe, Abbauhöhe und dem Füllanteil verknüpft. Dadurch konnten sie die Plastizitätszonenbreite in eine etablierte Theorie einsetzen, die jeden Streifen als starken Kern mit schwachen Seiten behandelt, und eine zweite Theorie anpassen, die beschreibt, wie die Last des Deckgebirges zwischen gefüllten und ungefüllten Bereichen verteilt wird. Die Kombination dieser Ansätze ergab erstmals einen klaren mathematischen Ausdruck dafür, wie stabil ein sandbasierter Verfüllstreifen unter gegebenen Abbaubedingungen sein wird.

Anwendung der Methode in einem realen Bergwerk

Die neue Bemessungsmethode wurde anschließend in einem aktiven Kohleabbau in etwa 300 Metern Tiefe unter verstreuten Wohnhäusern angewendet. Anhand von Grenzwerten für die zulässigen Bodenbewegungen berechneten die Ingenieure, wie breit die ungefüllten Zwischenräume und die gefüllten Streifen sein sollten. Sie wählten 56 Meter breite Verfüllstreifen, getrennt durch 46 Meter breite Abbauräume, und installierten ein modulares Stützsystem, um die Verfüllung beim Aushärten zu platzieren und zu halten. Während fast drei Jahren Überwachung blieben die maximale Oberflächensenkung und die Bodenspannungen innerhalb der strengen Vorgaben, und es trat kein Schaden an den Gebäuden darüber auf.

Was das für umweltfreundlicheren Kohleabbau bedeutet

Diese Arbeit zeigt, dass feiner Wüstensand in Kombination mit industrieller Flugasche zu einem verlässlichen Baustoff für die Stützung unterirdischer Hohlräume werden kann. Indem Abbautiefe, Flözstärke und Füllquote sorgfältig mit der Breite der weichen Zone und der Gesamtstärke des Streifens verknüpft werden, können Ingenieure Verfüllstreifen entwerfen, die das Gebirg sicher tragen und dabei weniger Material verbrauchen als eine vollständige Verfüllung. Praktisch bietet die Methode Kohleproduzenten in sandigen Regionen eine Möglichkeit, Ressourcen effizienter zurückzugewinnen, Oberflächenbewohner zu schützen und Abfälle zu recyceln — ein Schritt in Richtung eines tatsächlich „grüneren" Untertagebergbaus.

Zitation: Li, R., Zhao, H., Liu, P. et al. Analysis of influencing factors on the plastic zone width and stability of aeolian sand-based backfill strips. Sci Rep 16, 14444 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41520-4

Schlüsselwörter: Verfüllabbau, Windsand, Bodensenkung, Stabilität von Kohlebergwerken, Pasteverfüllung