Versickerungseigenschaften von klüftigem Sandstein unter tiefem, hochgelagertem Wasser und bergbaubedingter Belastung

Warum Wasser, das sich durch Gestein schleicht, wichtig ist

Tiefe Kohlebergwerke haben nicht nur mit Hitze und Gesteinsdruck zu kämpfen; sie liegen oft über mächtigen unterirdischen Wasservorkommen. Findet dieses unter Druck stehende Wasser einen schnellen Weg in Stollen, kann es plötzliche Überflutungen – sogenannte Wassereinbrüche – auslösen. Diese Studie untersucht, wie Wasser Hunderte Meter unter der Oberfläche durch rissigen Sandstein sickert und wie die Form dieser Brüche sowie die Zusammendrückkraft des umgebenden Gesteins gemeinsam bestimmen, ob eine Klüfte zur gefährlichen Leckage oder zur natürlichen Barriere wird.

Verborgene Leitungswege unter tiefen Kohleflözen

Die Forschung basiert auf dem Xingdong-Kohlenbergwerk in China, wo Flöze mehr als einen Kilometer unter der Oberfläche liegen und über einer dicken, wasserreichen Kalksteinschicht ruhen. Der Sandstein zwischen dem Kohleflöz und dem Aquifer ist von natürlichen und bergbaubedingten Klüften durchzogen, die sich zu Hochgeschwindigkeitskanälen für Grundwasser entwickeln können. Die Autoren konzentrieren sich auf einzelne Klüfte im Sandstein und behandeln jede als eine Miniatur-Wasserleitung, deren Durchlässigkeit davon abhängt, wie rau, weit geöffnet und wie stark sie unter dem tiefen Gebirgsdruck zusammengedrückt ist.

Realistische Klüfte im Labor nachbilden

Um reale bergbauliche Bedingungen zu simulieren, entnahmen die Forscher Sandsteinproben vom Bergwerksboden und spalteten sie sorgfältig mit speziell geformten Metallkeilen. So konnten sie fünf Gruppen von Proben mit kontrollierten Rauheitsgraden erzeugen, von nahezu glatt bis sehr zerklüftet. Sie scannten die Bruchflächen in drei Dimensionen, um deren Unebenheiten zu quantifizieren, und setzten jede Probe in ein triaxiales Prüfgerät, das das Gestein von allen Seiten zusammendrücken kann, während Wasser durch die Klüfte gepresst wird. Durch Variation sowohl des Umgebungsdrucks als auch des Wasserdrucks konnten sie beobachten, wie sich der Durchfluss im Laufe der Zeit und unter verschiedenen Bedingungen verändert.

Wie Zusammendrücken und Wasserdruck konkurrieren

Die Experimente zeigen ein Tauziehen zwischen dem Zusammendrücken des Gesteins und dem Drücken des Wassers. Mit zunehmendem Einengungsdruck wird die Klüfte teilweise verschlossen und der Durchfluss fällt anfangs stark ab, dann langsamer und schließlich nivelliert er sich, sobald der Riss nahezu kompakt ist. Die Autoren beschreiben drei Stadien dieses Verlaufs: ein frühes elastisches Stadium, in dem die Flächen schnell biegen und schließen; ein mittleres Übergangsstadium, in dem winzige Erhebungen zerdrückt und neu geordnet werden; und ein finales Gleichgewichtsstadium, in dem weiteres Zusammendrücken den Durchfluss kaum noch verändert. Der Wasserdruck wirkt in die entgegengesetzte Richtung: höherer Wasserdruck erhöht den Durchfluss deutlich und klappt die Klüfte teilweise wieder auf, besonders wenn die Drücke etwa 5 Megapascal übersteigen. Effektiv kann der Wasserdruck einen Teil der schließenden Wirkung des umgebenden Gesteins ausgleichen.

Warum Rauheit und Öffnung der Klüfte die Lage verändern

Nicht alle Klüfte verhalten sich gleich. Glattere, weiter geöffnete Risse führen anfangs deutlich mehr Wasser und stellen damit die gefährlichsten Wege für einen plötzlichen Einbruch dar. Sie reagieren jedoch auch dramatischer auf steigenden Druck und verlieren ihre Permeabilität schnell, wenn sie zusammengedrückt werden. Rauere Klüfte mit gezackten, ineinandergreifenden Flächen beginnen mit deutlich geringerem Durchfluss, weil der Weg länger und verwinkelter ist. Im Laufe der Zeit bewegen sich Körner und kleine Gesteinsfragmente in diesen rauen Durchgängen, setzen sich ab, glätten Erhebungen und füllen Hohlräume – was den Durchfluss weiter reduziert. Die Studie quantifiziert dieses Verhalten, indem sie einen standardisierten Rauheitsindex und die anfängliche Klüftöffnung mit der langfristig stabilisierten Permeabilität verknüpft, nachdem das Gestein über viele Stunden unter Druck stand.

Von Laborverläufen zu sichereren Bergwerken

Durch die Zusammenführung aller Tests leiten die Autoren einfache mathematische Beziehungen ab, die vorhersagen, wie viel Wasser eine Klüfte führt, sobald ihr Verhalten unter tiefen, hochdruckigen Bedingungen stabilisiert ist. Diese Formeln zeigen, dass größere Rauheit und kleinere Öffnungen zu geringerem langfristigem Versickern führen, während hoher Wasserdruck sowie glattere, weiter geöffnete Klüfte anhaltenden Durchfluss begünstigen. Für Planer und Sicherheitsingenieure in Bergwerken bedeutet das: glatte, offene Klüfte und Störungszonen unter Kohleflözen verdienen besondere Aufmerksamkeit und Verstärkungsmaßnahmen, während raue, eng geschlossene Klüfte den Wassertransport natürlicherweise einschränken können. Insgesamt liefert die Arbeit ein klareres Bild der verborgenen Leitungswege unter tiefen Bergwerken und praktische Werkzeuge zur Bewertung und Verringerung des Risikos eines katastrophalen Wassereinbruchs.

Zitation: Tu, H., Wu, R., Jia, S. et al. Seepage characteristics of fractured sandstone under deep high-confined water and mining-induced stress. Sci Rep 16, 11507 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42285-6

Schlüsselwörter: Tiefbergbau, Grundwasserströmung, klüftiges Gestein, Wassereinbruch, Sandsteinpermeabilität